Osciloskopy a zapisovače Tyto přístroje se používají ke grafickému zobrazení časových průběhů napětí nebo ke znázornění jednoho napětí jako funkce napětí druhého. Osciloskopy poskytují světelný obraz na stínítku, zatímco zapisovače poskytují trvalý záznam na papíru. Zapisovače se používají k záznamu pomalejších průběhů (podle typu zapisovače pro průběhy s nejvyšší frekvencí ve spektru řádu Hz až kHz), osciloskopy dnes umožňují zkoumat průběhy ve frekvenčním pásmu od nuly do deseti GHz.
1. Osciloskopy Osciloskopy se dělí na analogové osciloskopy a osciloskopy s číslicovou pamětí, resp. číslicové osciloskopy (angl. digitizing oscilloscopes, resp. digital storage oscilloscopes, DSO). Analogové osciloskopy upraví vstupní signál analogovými obvody (změní jeho velikost) a zobrazí ho na stínítku obrazovky. Osciloskopy s číslicovou pamětí signál digitalizují pomocí analogově-číslicového převodníku, kódované hodnoty uloží do paměti vzorků a zobrazí buď po rekonstrukci do analogové formy (pomocí číslicověanalogového převodníku), nebo jako grafický výstup na počítačovém displeji. Jejich výstup může být také vytisknut na tiskárně. Analogové osciloskopy jsou levnější, snadno ovladatelné a pochopitelné, reagují bezprostředně na změny měřené veličiny. Neumožňují ale zkoumat signál před příchodem spouštěcího pulsu, obtížně zobrazují pomalu proměnné signály, až na výjimky (tzv. dvoupaprskové osciloskopy) neumožňují současné nepřerušované vícekanálové zachycení signálů. Záznam průběhu je možno získat pouze fotograficky a zachycený průběh není možno dále zpracovávat. Osciloskopy s číslicovou pamětí umožňují mnohakanálový současný záznam, záznam signálu před příchodem spouštěcího pulsu, snadné zachycení jednorázových dějů, výstup na tiskárnu nebo zapisovač, zapamatování průběhu v paměti a jeho další číslicové zpracování, oboustranný přenos signálu mezi osciloskopem a počítačem. Umožňují i řadu nových způsobů spouštění a výpočet a zobrazení řady parametrů měřeného signálu vestavěným mikropočítačem. Nevýhodami jsou vyšší cena, možnost chyby typu aliasing při nesplnění vzorkovací věty a ve většině případů menší rychlost obnovování průběhů na displeji (počet změn zobrazení za sekundu). Obvyklý režim činnosti osciloskopu je tzv. režim y-t, čili pozorování časových průběhů. Osciloskop se tedy používá pro měření v časové oblasti. Osciloskop může být použit také v tzv. x-y režimu, kdy je napětí přivedené k vertikálnímu vstupu osciloskopu zobrazeno jako funkce druhého napětí, přivedeného k horizontálnímu vstupu osciloskopu. Protože je možno na napětí převést jiné elektrické a neelektrické veličiny, lze osciloskop použít k mnoha různým měřením. Jako příklady lze uvést: - analýzu časového průběhu (měření napětí, napěťových rozdílů a časových rozdílů mezi zvolenými body záznamu, měření stejnosměrné složky, špičkové hodnoty, doby periody, frekvence, doby náběhu a překmitu pulsů, šířky pulsu apod.); - měření fázového rozdílu dvou harmonických napětí; - měření V-A charakteristik různých elektronických prvků; - měření dynamické hysterezní smyčky vzorků feromagnetických materiálů. Ačkoliv se v současné době používá daleko větší počet analogových osciloskopů, celkové roční finanční částky věnované na nákup osciloskopů v posledních letech ve světě jsou větší na osciloskopy s číslicovou pamětí a přední světoví výrobci buď zcela výrobu analogových osciloskopů opustili, nebojí výrazně omezují.
1.1. Analogové osciloskopy Jsou nejpoužívanějšími přístroji pro měření v elektronických obvodech. Osciloskop poskytuje oscilogram na stínítku obrazovky. Obrazovka je zvláštní elektronka generující paprsek elektronů, který je vychylován ve vertikálním a horizontálním směru napětími přivedenými na tzv. vertikální (Y) a horizontální (X) vychylovací elektrody obrazovky. Paprsek prochází otvorem v elektrodě zvané Wehneltův válec, je tvarován, urychlen a zaostřen soustavou pomocných elektrod a dopadá na tzv. stínítko. Stínítko je na vnitřní straně pokryto látkou zvanou luminofor, která při dopadu elektronu a určitou dobu po tomto dopadu svítí. Nejčastěji používaný luminofor poskytuje zelenou stopu na stínítku. Analogové osciloskopy používají obrazovky s elektrostatickým vychylováním paprsku. Na vnější straně stínítka obrazovky bývá pravoúhlá mřížka, tzv. rastr, umožňující snadnější odečítání výchylek paprsku v obou osách. Základním typem analogového osciloskopu je univerzální laboratorní osciloskop. Ten může být nízkofrekvenční (pro frekvenční pásmo přibližně 0-10 MHz) nebo vysokofrekvenční (pro frekvenční pásmo 0-fh, kde fh je horní mezní frekvence osciloskopu, a zde platí fh>10 MHz). 1 / 16
Ke speciálním analogovým osciloskopům patří např. vzorkovací osciloskopy, analogové paměťové osciloskopy, vysokonapěťové osciloskopy, monitory stavu pacientů apod. Jejich význam s rozvojem osciloskopů s číslicovou pamětí značně poklesl. Dále se budeme věnovat univerzálním laboratorním osciloskopům. Základními bloky osciloskopu jsou: zobrazovací zařízení (obrazovka), vertikální zesilovač, obvody časové základny a spouštění, horizontální zesilovač a napájecí zdroj. Dále budou uvedeny základní charakteristiky osciloskopu, podle kterých vybíráme osciloskop. Počet současně zobrazitelných průběhů (počet kanálů); nejjednodušší osciloskopy mají jediný kanál, moderní osciloskopy mají dva kanály, někdy čtyři, výjimečně dokonce osm. Frekvenční pásmo (horní mezní frekvence f h); označuje frekvenční pásmo harmonických signálů, které mohou být osciloskopem zobrazeny. Všechny současné osciloskopy mohou zobrazovat i stejnosměrné signály. Proto je dolní mez frekvenčního pásma 0 Hz a ve specifikacích se někdy ani neuvádí. Horní mezní frekvence fh je frekvence harmonického signálu, na které je amplituda zobrazeného signálu o 3 dB (tj. asi o 30 %) nižší, než je amplituda signálu měřeného. Osciloskop s frekvenčním pásmem 100 MHz tedy zobrazí harmonické napětí s amplitudou 1 V a frekvencí 100 MHz jako sinusovku s amplitudou 0,707 V. Posloupnost obdélníkových pulsů s frekvencí 80 MHz je zobrazena přibližně jako harmonický signál, protože všechny vyšší harmonické složky tohoto měřeného periodického průběhu leží nad horní mezní frekvencí osciloskopu a nejsou tedy zobrazovány. (Vysokofrekvenční složky signálu odpovídají náhlým změnám amplitudy signálu a jsou zde odfiltrovány.) Dnešní vysokofrekvenční analogové osciloskopy mají frekvenční pásmo stovky MHz (většinou 100 MHz až 400 MHz), nejširší frekvenční pásmo dosažené u analogového osciloskopu pracujícího v reálném čase (nikoliv tedy vzorkovacího) bylo 1 GHz.
Protože dnes se pomocí osciloskopu častěji zkoumají pulsní průběhy než průběhy harmonické, je velmi důležitou charakteristikou doba náběhu vertikálního kanálu osciloskopu tno. Je-li na vstupu osciloskopu posloupnost ideálních pravoúhlých impulsů o frekvenci přibližně rovné polovině fh, zobrazený signál má přibližně tvar posloupnosti zaoblených lichoběžníkových pulsů. Doba potřebná ke změně amplitudy náběžné hrany zobrazeného průběhu od 0,1 Umax do 0,9 Umax se nazývá doba náběhu (vertikálního kanálu) osciloskopu. Ideální osciloskop by měl mít nulovou dobu náběhu. Tato doba je určena dobou náběhu vertikálního zesilovače a případně typem obrazovky. Doba náběhu souvisí s frekvenčním pásmem osciloskopu přibližným vztahem tno = 0,35 / fh (1) Skutečné měřené pulsy mají také konečnou dobu náběhu tns. Zobrazený signál má pak dobu náběhu tnz, kterou můžeme přibližně vypočítat jako t nz = t 2not 2ns (2) Chtěli bychom dosáhnout tnz= tns. Tato rovnice je splněna tím lépe, čím menší je poměr tno / tns. Je-li tno=0,2tns, je tnz≈ 1,02tns, což je obvykle přijatelná chyba. Proto při použití osciloskopu ke zkoumání impulsních průběhů je nutno volit osciloskopy splňující podmínku tno ≤ tns/5. Vstupní napěťové rozsahy osciloskopu jsou určeny volitelným rozsahem vychylovacích činitelů vertikálního kanálu (1 mV/d až 5 V/d). Vstupní impedance osciloskopu se vyjadřuje paralelní kombinací odporu 1MΏ a kapacity 7 až 50 pF. Protože při vysokých frekvencích je vlivem paralelní kapacity vstupní impedance osciloskopu malá a silně závislá na frekvenci, mají osciloskopy pro vysokofrekvenční měření (s fh> 200 MHz) vstupní impedanci obvykle určenou odporem 50Ώ (paralelní kapacitu zde je možno zanedbat). Řada osciloskopů má vstupní impedanci přepínatelnou mezi oběma uvedenými hodnotami. Počet časových základen. Běžné osciloskopy mají jednu časovou základnu. Lepší osciloskopy mají časové základny dvě - hlavní a zpožděnou. Tak lze podrobněji zkoumat detaily měřeného průběhu. Přesnost zesílení vertikálního kanálu a přesnost časové základny. Určují, jak přesně lze pomocí daného osciloskopu měřit napětí a čas. U analog. osciloskopů jsou příslušné chyby v obou případech 3 %až 5 %. Řada speciálních doplňků umožňuje zjednodušit ovládání osciloskopu a dosáhnout pohodlnějšího měření. Alfanumerické informace na stínítku jsou užitečné nejen pro fotografickou dokumentaci výsledků měření, ale i pro vizuální zkoumání průběhů. Jsou zobrazena vertikální a horizontální měřítka (V/d, ms/d). Někdy jsou zobrazeny další informace. Ukazovátka (kurzory) jsou dvojice svislých a vodorovných přímek, případně dvojice křížků nebo jiných značek, posouvatelných po obrazu a umožňujících odečítat číselně jejich vzdálenost (ve (V) resp. v (s)). To umožňuje pohodlnější měření řady veličin, pro které je nutno měřit napěťové a časové rozdíly, jako frekvenci, dobu náběhu, rozkmit signálu apod.
2 / 16
Blokové schéma analogového osciloskopu Schéma a časové průběhy napětí v důležitých bodech kvalitního osciloskopu ukazuje obr.01. Pochopení tohoto obrázku má základní význam pro pochopení 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. external triggering) se používá pro připojení vnějšího spouštěcího signálu, je-li měřený signál příliš slabý pro generování spolehlivého signálu pro vnitřní spouštění. Na vstup Y se přivede měřený signál u1. 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. Obr.1: Blokové schéma vf. bab. Osciloskopu a časové Abychom získali časový průprůběhy v různých místech osciloskopu běh napětí na stínítku obrazovky, je nutno pohybovat svítící 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 u5 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] 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. přímého běhu časové základny. To zajišťuje napětí u8, nazývané napětí modulace jasu paprsku. Protože se obvod časové základny rozběhne po příchodu spouštěcího pulsu s určitým zpožděním (tl 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 20 ns až 200 ns. Přepínač P2 slouží k volbě typu spouštění (vnitřním nebo vnějším signálem), přepínač P3 umožňuje volbu režimu X-Y nebo běžného režimu Y-t. Horizontální kanál osciloskopu Horizontální kanál osciloskopu (kanál "X") je tvořen časovou základnou, spouštěcími obvody 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 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. 3 / 16
V obr.2 je Tx doba přímého běhu, T2 je doba zpětného běhu a T3 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. Obr.2:Průběh napětí časové záladny Spouštěcí režim osciloskopu 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. slope); spouštěcí bod se volí na vzestupné ("+") nebo sestupné ("-") hraně signálu; -zdroj spouštění (ynitřní spouštění - angl. internal triggering, vnější spouštění - angl. external triggering, spouštění síťovou frekvencí); -způsob spouštění (normální, automatické); -vazba (stejnosměrná, střídavá, potlačení nf - angl. lf reject, potlačení 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 pozorování 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. Při volbě normálního (NORM) způsobu spouštění není na stínítku žádný obraz, pokud není k dispozici spouštěcí signál. Stínítko bez obrazu může být matoucí. Při volbě automatického spouštění (AUTO) vyrábí spouštěcí obvod periodicky spouštěcí puls, pokud na vertikálním vstupu osciloskopu není žádný signál. Frekvence spouštění časové základny za nepřítomnosti vstupního signálu je asi 20 Hz. Je-li časová základna nastavena na vysokou rychlost, je stopa na stínítku velmi slabá. Proto některé osciloskopy mají ještě k dispozici další způsob spouštění, tzv. rychlé automatické spouštění (AUTO FAST). V tomto režimu je perioda spouštění časové základny při nepřítomnosti měřeného signálu vyšší (např. 20 kHz) a stopa při vysokých rychlostech časové základny je jasnější. Při normálním způsobu spouštění lze získat stabilní obraz pro širší pásmo spouštěcích signálů než v režimech AUTO a AUTO FAST. Režimy HF REJECT a LF REJECT se používají, pokud se chceme ve spektru spouštěcího signálu zbavit některých složek. Režim LF REJECT použijeme, např. chceme-li ze vstupního signálu spouštěcích obvodů odstranit "síťový brum" (zvlnění způsobené indukcí napětí síťové frekvence). HF REJECT použijeme, pokud nestabilní spouštění signálu působí vysokofrekvenční rušivé signály (např. šum). Časovou základnu lze také spustit jednorázově ("1 x", SINGLE SWEEP) (Fotografování 1-ráz. průběhů). Některé osciloskopy mají možnost spojité volby doby čekání (angl. hold-off time). Spouštěcí obvody osciloskopu akceptují pouze jeden puls během celého cyklu časové základny. Časová základna je opětně spuštěna teprve prvním spouštěcím pulsem po uplynutí doby T1 až T2 z obr.2. Možnost změny doby T3 se používá pro získání stabilního zobrazení delší opakující se skupiny podobných pravoúhlých pulsů s různě dlouhými mezerami mezi sousedními pulsy (v číslicové a sdělovací technice, např. signály v lokální počítačové síti ETHERNET). Nastavením proměnné čekací doby tak, aby pro spuštění časové základny byl využit vždy až první puls následující skupiny (čili nastavením celkové doby zpoždění spouštěcího pulsu rovné době trvání celé opakující se skupiny pulsů) získáme stabilní obraz, jehož detail pak můžeme podrobněji zkoumat pomocí zpožděné časové základny (viz dále). Pokud osciloskop nemá volitelnou dobu čekání, je zobrazený obraz nestabilní, protože k odvození spouštěcího signálu může být využita vzestupná hrana každého z pulsů skupiny (v okamžiku, kdy dosáhne spouštěcí úrovně). Většina současných osciloskopů má také tlačítko časová lupa (angl. sweep magnifier). To umožňuje detailnější zkoumání zobrazeného průběhu. Při jeho stisknutí se zvýší zesílení horizontálního zesilovače (5x nebo l0x). Při nastavení časové základny na l0ms/d a volbě tlačítka l0x odpovídá jeden horizontální dílek 1 ms. Obrázek je desetkrát delší než je šířka stínítka a část, kterou si chceme prohlédnout, přemístíme na stínítko ovládacím prvkem horizontální posuv. 4 / 16
kH Z >
Obr.3a:Základní blokové schéma dvojité časové základny.(Čísla v kroužcích-viz obr.3b)
Důkladnější zkoumání detailů zobrazeného průběhu umožňují osciloskopy se dvěma časovými základnami (obr.3). Obr.3b ukazuje nejběžnější použití dvojité časové základny, tzv. zpožděný režim. V tomto obrázku je 1 průběh zobrazený pomocí hlavní časové základny (ČZA). 2 je průběh napětí ČZA; okamžik spuštění zpožděné časové základny (ČZB) se volí nastavením úrovně ÚSB pomocí víceotáčkového potenciometru P ve spouštěcím obvodu základny B (SOB). 3 je průběh napětí zpožděné časové základny ČZB, doba jejího přímého běhu (a délka jejího pulsu modulace jasu) je tB. Volbou režimu při světlení (angl. intensified) se sečtou přisvětlovací pulsy obou základen (průběh 4) a část obrázku 1 v době tB je jasnější. Začátek rozjasněného úseku je určen polohou jezdce potenciometru P, délka úseku je určena rychlostí zpožděné časové základny. Přepnutím do režimu zpožděni (angl. delay) je přes celé stínítko roztažen Obr.3b: Průběhy napětí u osiloskopu původně přisvětlený úsek (5 v obr.3b). Roztažení je větší, než umožňuje se dvěma časovými základnami. časová lupa. Pokud je roztažený obrázek nestabilní, kolísá doba zpoždění. V tom případě je možno využít dalšího režimu, vc kterém se v okamžiku tO ČZB nespustí, ale pouze se připraví ke spuštění. ČZB se spustí po příchodu zvolené hrany prvního spouštěcího signálu po tG v době přímého běhu ČZA. Některé osciloskopy se dvěma časovými základnami umožňují tzv. kombinovaný režim, kdy je polovina stínítka využita pro zobrazení s rychlostí ČZA a polovina s rychlostí ČZB. Současné zobrazeni několika průběhů 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 elektronický přepínač, který připojuje k vertikálnímu vstupu obrazovky střídavě oba vstupní kanály (jde o tzv. časový multiplex). Blokové schéma dvoukanálového osciloskopu uvádí obr.4. Od základního blokového schématu Obr.4:Blokové schéma dvoukanálového analogového osciloskopu analogového osciloskopu se liší pouze 5 / 16
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 1 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 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. Charakteristické průběhy z blokového schématu dvoukanálového osciloskopu ve střídavém režimu zobrazuje obr.5. Střídavý režim se používá při rychlostech časové základny větších než I MIS /cl, pro pomalejší běhy základny ruší blikání zobrazení při přepínání mezi kanály. V režimu přepínání pevnou frekvencí {chop mode) je zobrazení přepínáno nu/i oběma vstupními kanály s pevnou (a relativně vysokou) frekvencí. ()bnizky odpovídající oběma kanálům jsou složeny z krátkých úseků, ale jeví sc jako vytvořené spojitou Obr.5. Průběhy vstupních napětí kanálů A a B, napětí časové základny a napětí čarou, pokud je počet úseků použitých na výstupu elektronického přepínače (UVP , obr.4. ) (a) ) a obraz na stínítku pro každý kanál vysoký (stovky až tisí- osciloskopu (b)v režimu přepínání časovou základnou (angl alternate mode ) ce na obrázek odpovídající každému kanálu). Přepínání pevnou frekvencí se používá pro pozorování pomalu proměnných (nízkofrekvenčních) periodických signálů a pro zobrazení dvou i clativně pomalých současných jednorázových signálů. Používá se pro běhy časové základny pomalejší než 1 ms/d. Volba režimu dvoukanálového zobrazení se provádí tlačítkem na panelu osciloskopu. Některé osciloskopy volí tento režim samočinně podle rychlosti Časové základny. Dvoukanálové osciloskopy obvykle mohou pracovat v následujících režimech: kanál A, kanál B, dvoukanál: přepínání časovou základnou, dvoukanál: přepínání pevnou frekvencí, součet kanálů (A+B). Protože polarita jednoho ze vstupních kanálů může být změněna, režim A+B může být použit pro zobrazení jak součtu, tak rozdílu obou vstupních na- Obr.6. Průběhy vstupních napětí kanálů (A,B), na výstupu přepínače (UVP) a na pětí. výstupech čaové základny dvoukanálového asciloskopu v režimu přepínání Chceme-li dvoukanálový oscilo- pevnou frekvencí (angl. Chop mode) a brázekna stínítku osciloskopupro skop využít pro časové porovnávání poměrně velkou rychlost čas. Základny. obou zobrazených průběhů, musí být spouštění časové základny odvozeno buď z jednoho ze vstupních kanálů (poloha 2 přepínače PÍ v obr.5.4), nebo musí být použito vnější spouštění. Nelze použít spouštění signálem na výstupu vertikálního zesilovače (poloha 1 přepínače PÍ v obr.5.4). Ke speciálním analogovým osciloskopům patří např. analogové paměťové osciloskopy a vzorkovací osciloskopy. Oba tyto typy jsou dnes nahrazeny osciloskopy s číslicovou pamětí. Proto o nich uvedeme jen základní informace. 6 / 16
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 na asi minutu (v důsledku zbytkových iontů uvnitř obrazovky dojde postupně k zesvětlání celého stínítka a zmizení průběhu). Není možné roztažení 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 /.obražení bylo tvořeno velkým množstvím vzorků získaných v různých periodách (obr.13). 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 periodických průběhů, jejich horní mezní frekvence byla až (15 GHz, vstupní citlivosti byly 1 mV/d až 200mV/d. Dnes jsou nahrazeny osciloskopy s číslicovou pamětí, které mohou být použity i pro zobrazení jednorázových průběhů, průběh si pamatují v číslicové podobě, umožňují jeho (lalftl zpracování a mají i další výhody.
1.2. Osciloskopy s číslicovou pamětí a číslicové pamětí dynamických dějů Tyto přístroje v současné době postupně nahrazují analogové osciloskopy zčásti i měřicí magnetofony (měřicí magnetopáskové paměti), používané pro analogový záznam a zobrazení měřených napětí. Měřený signál je digitalizován (viz kap. 4). Hodnoty napětí jsou snímány v ekvidistantních časových okamžicích a ukládány do rychlé číslicové paměti, odkud jsou vybírány pro zobrazení nebo další zpracování. 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 číslicové techniky 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. 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 přístroj 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 pamětí je SAM paměť typu "FIFO"-"Fronta" (z angl.first-in first-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. Současné osciloskopy s číslicovou pamětí obsahují zabudovaný mikropočítač (často několik mikroprocesorů) a digitalizovaný signál nepřevádějí zpět do analogové formy, ale zpracovávají ho 7 / 16
v zabudovaném počítači. Pro zobrazení používají displej počítače (obr.7). V některých osciloskopech s číslicovou pamětí se používá pouze jeden AČP přepínaný do jednotlivých kanálů (obr.8). 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 fS a multiplexuje-li osciloskop N kanálů, je každý z kanálů vzorkován frekvencí fS/N. Zde nejsou vstupní signály vzorkovány ve stejných okamžicích, pokud nejsou na všech vstupech pouObr.7:Blokové schéma číslicového osciloskopu (VZ-vsupní dělič a zesilovač, VZPžity vzorkovače s pamětí. vzorkovač s pamětí, AČP-analogově číslicový převodník, ČP-číslicová paměť) 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. 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 ukládání vybrané části průběhu do paměti (
-Zpožděné zobrazení (obr.9c): 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 volí číselně, pro nejlepší osciloskopy s číslicovou pamětí např. v rozsahu 0 až 10000 horizontálních dílků osciloskopu po 0,1 dílku.
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 (kap. Převodníky AD DA), 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 (kap. Převodníky AD DA), která se projeví v časové oblasti na stínítku např. tím, že při měření harmonického signálu dostaneme sice siuisovku 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 repet- Obr.10:Sestavení obrazu na stínítku při sekvenčním vzorkování itive sampling) je způsob vzorkování převzatý v ekvivalentním čase. Je naznačeno též posouvání vzorkovacího z analogových vzorkovacích osciloskopů. Je použi- pulsu proti spouštěcímu pulsu v každé násled. periodě o interval Δt telný 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.10). Tento posuv zajišťuje časovači obvod. Jednotlivé vzorky jsou zobrazeny společně na stínítku a je z nich složen vý- Obr.11:Sestavení obrazu na stínítku při sekvenčním vzorkování sledný průběh. Je-li jich např. tisíc, vypadá průběh v ekvivalentním čase. Všechny vzorky příslušné odběru po příchodu spouštěcího pulsu mají stejné číslo. prakticky spojitě. Ekvivalentní vzorkovací frekvence tak může být podstatně vyšší než skutečná a je rovna 1/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 10 000 vzorků, trvá odběr 104 vzorkovacích intervalů). Náhodné vzorkování 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 fs/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.11). Počet vzorků každé sady (vzdálených od sebe o Ts) může být malý, ale použitím většího množství sad dostaneme celý průběh. Současné osciloskopy s číslicovou pamětí jsou optimalizovány buď pro měření periodických průběhů, 9 / 16
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. Speciální druhy spouštění u osciloskopů s číslicovou pamětí Jednou z výhod osciloskopů s číslicovou pamětí proti osciloskopům analogovým je podstatně větší výběr možností okamžiku spuštění časové základny. Na rozdíl od základních způsobů spouštění, které mají k dispozici prakticky všechny analogové osciloskopy, jsou možnosti spouštění osciloskopů s číslicovou pamětí odlišné podle výrobce a ceny osciloskopu. V následujícím přehledu budou uvedeny možnosti spouštění současných osciloskopů s číslicovou pamětí vyšší třídy. Tyto osciloskopy kromě klasického spouštění při zvolené spouštěcí úrovni a zvolené hraně (vzestupná, sestupná) spouštěcího signálu, který vyhovuje pro většinu běžných měření, mají také speciální způsoby využitelné zejména při měřeních v mnohakanálových číslicových obvodech. a)Spouštění od jednoho zdroje spouštěcího signálu -Základní spouštěcí režim. Jako zdroj spouštěcího signálu lze zvolit jeden ze vstupních kanálů (Kl, K2, K3 nebo K4 u čtyřkanálového osciloskopu), nebo vnější spouštěcí signál (EXT.TRIG., zkráceně EXT). Volba spouštěcí úrovně, spouštěcí hrany, způsobu (normální, automatické, jednorázové) a vazby spouštěcího signálu (DC, AC, LF reject, HF reject) jsou stejné jako u analogových osciloskopů. -Spouštění s nastavitelným zpožděním spouštěcího pulsu (angl. hold-off timé) u osciloskopů s číslicovou pamětí umožňuje volit zpoždění číselně, jako délku časového intervalu nebo počet výskytů potenciálních spuštění. Používá se stejně jako u analogových osciloskopů pro získání stabilního obrazu signálu tvořeného opakujícími se skupinami nepravidelně rozložených pulsů, které obsahují řadu potenciálních okamžiků spuštění. -Spouštění s využitím zvolené délky pulsu nebo délky intervalu. Umožňuje spuštění osciloskopu při výskytu pulsu určité předvolené délky ve zvoleném spouštěcím kanálu nebo při předvolené časové vzdálenosti dvou po sobě následujících náběžných nebo sestupných hran ("interval"). Zvoleno může být spuštění při výskytu pulsu nebo intervalu o délce menší než předvolená, větší než předvolená, případně mezi dvěma předvolenými hodnotami. Spouštěním při výskytu pulsu kratšího než předvolená doba lze jednoduše spouštět osciloskop jednorázovými krátkými rušivými impulsy (angl. glitch), kratšími než půlperioda hodinového signálu. Tyto pulsy mohou být příčinou poruch v číslicových obvodech. b)Spouštění z několika zdrojů ("logické spouštění") -Logické spouštění množinou logických stavů (angl. pattern). Je založeno na logických stavech několika vstupních kanálů - Kl, K2, (K3, K4) a EXT, které jsou chápány jako logické signály. Tyto signály mohou být ve dvou stavech: H (vysoká úroveň, angl. high) nebo L (nízká úroveň, angl. low podle toho, zda jsou nad nebo pod nastavenou prahovou úrovní. Tato úroveň bývá volitelná zvlášť pro jednotlivé kanály. Pokud na úrovni některého kanálu nezáleží, označí se X. Uživatel definuje spouštěcí podmínku jako množinu logických stavů vstupů, např. HXLL. Ke spuštění dojde, jakmile se tato kombinace objeví, nebo když skončí. Jde o logický součin zvolených stavů. Tento typ spouštění je možno kombinovat se spouštěním délkou impulsu tak, že ke spuštění dojde, pokud "pattern" trvá předvolenou dobu. -Logické spouštění s kvalifikátorem stavů (angl. state-qualified multisource trigger). Jde o spouštění z jednoho zdroje signálu (Kl, K2 nebo EXT) po dosažení zvolené logické podmínky na zbývajících vstupech. Uživatel zvolí logické úrovně dvou vstupů (např. K2: L, EXT: L, čili LL) a splnění této podmínky slouží pro aktivování třetího vstupního signálu jako použitelného pro spuštění. Logická podmínka přitom musí být splněna, dokud nedojde ke spuštění osciloskopu. -Logické spouštění s kvalifikátorem hrany (angl. edge qualified multisource trigger, nebo prostě "state trigger"). Zde uživatel opět zvolí logické stavy na vstupních kanálech kromě jednoho. Ke spuštění dojde při výskytu náběžné nebo sestupné hrany v tomto zbývajícím kanálu po splnění předvolené logické podmínky. Zde (na rozdíl od předchozího případu) nemusí být logická podmínka splněna až do okamžiku spuštění osciloskopu, čili příchodu zvolené hrany ve zbývajícím kanálu. Výskyt náběžné nebo sestupné hrany se někdy značí šipkou: HL↓ např. znamená, že ke spuštění dojde při úrovni H v kanálu Kl, úrovni L v kanálu K2 a při první sestupné hraně v kanálu vnějšího spouštění (EXT.) potom, co úrovně v kanálech Kl a K2 dosáhly zvolených úrovní, c) Spouštění osciloskopu logickým analyzátorem Koncepce použitá v logickém spouštění osciloskopů s číslicovou pamětí je využita také v logických analyzátorech, které ale mají podstatně větší počet kanálů než osciloskop a podstatně větší výběr "kvalifikátorů" (podmínek pro spuštění). Pokud složitost proměřovaného číslicového systému přesahuje možnosti spouštění osciloskopu s číslicovou
10 / 16
pamětí, lze použít ke spuštění osciloskopu spouštěcí signál logického analyzátoru. (Existují také přístroje, které obsahují osciloskopy s číslicovou pamětí i logický analyzátor v jedné skříni. U nich je tento způsob spouštění standardní.)
Parametry osciloskopů s číslicovou pamětí Parametry těchto přístrojů se neustále zlepšují. Dále uvedeme příklady jejich číselných hodnot v r. 1997.
Osciloskopy s číslicovou pamětí mají téměř vždy 2 nebo 4 vstupní kanály. Vzorkovací frekvence osciloskopů s číslicovou pamětí se většinou neuvádějí v Hz, ale v milionech vzorků za sekundu. Užívá se anglická zkratka MSa/s resp. MS/s (megasamples per second). V současných osciloskopech je vzorkovací frekvence nejčastěji stovky MSa/s, vyskytují se ale osciloskopy se vzorkovací frekvencí 10 GSa/s pro vzorkování v reálném čase (nejrychlejší osciloskopy s číslicovou pamětí v r. 1996). Šířka pásma osciloskopů s číslicovou pamětí bývá pro práci v reálném čase (angl. real time bandwidth) 50 MHz až 2 GHz, pro činnost v ekvivalentním čase (pro periodické signály, angl. repetitive bandwidth) 50 MHz až (u speciálních přístrojů) 50 GHz. Šířka pásma v reálném čase je určena nejen vzorkovací frekvencí, ale také frekvenční odezvou vertikálního zesilovače. Hloubka paměti na kanál bývá od 4 kSa do 1 MSa (výjimečně až 8 MSa). Čím větší je paměť, tím dražší je osciloskop, ale tím víc rozsahů rychlostí časové základny lze využít s maximální vzorkovací frekvencí. S maximální frekvencí lze pak vzorkovat delší časový interval a tím zachytit i nepravidelné krátké pulsy. Celková paměť bývá někdy dělitelná mezi jednotlivé kanály; paměť na kanál pak závisí na zvoleném počtu použitých kanálů. Rozlišovací schopnost (angl. resolution) AČ převodníku se vyjadřuje počtem bitů převodníku. Používají se AČ převodníky s paralelní komparací, případně jejich modifikace. Počet bitů býval většinou 8, dodatečné softwarové zpracování (číslicová filtrace) umožňovalo zvýšit počet bitů např. na 11. Přesnost vertikálního kanálu (relativní chyba) bývá 3 % až 1 %, přesnost horizontálního kanálu (časové základny) bývá přibližně 0,1 % až 0,01 % (čili podstatně lepší než u analogových osciloskopů). Rychlost obnovování průběhů na displeji (angl. display update rate) je důležitá pro komfort obsluhy. Opožděná reakce zobrazení na změnu měřeného signálu působí rušivě. Dnešní nejlepší osciloskopy s číslicovou pamětí se v tomto ohledu prakticky neliší od osciloskopů analogových. Kopie obrazu stínítka obrazovky je u osciloskopu s číslicovou pamětí možná na tiskárně nebo číslicovém souřadnicovém zapisovači čili plotru (angl. plotter). Výpočet parametrů zobrazeného průběhu (např. maximální, minimální, střední a efektivní hodnotu, frekvenci, délku pulsu, dobu náběhu a dobu doběhu, překmity) a jejich zobrazení na stínítku podstatně zvyšuje komfort obsluhy. Dokonalejší číslicové zpracování změřeného signálu umožňují výměnné moduly nebo doplňkové programové vybavení (např. frekvenční analýzu s vyžitím rychlé Fourierovy transformace FFT, statistickou analýzu - výpočet základních statistických parametrů a nakreslení histogramu jednotlivých změřených parametrů). Naměřené průběhy lze přenášet do připojeného počítače buď pomocí standardizovaného přístrojového rozhraní (nejčastěji typu IEEE 488 nebo vyšší), bývalo to kdysi i pomocí diskety 3.5", jejíž mechanika byla u některých osciloskopů zabudována. Pak je možno naměřené průběhy zpracovávat pomocí standardních textových procesorů. Uložit je možno také nastavení ovládacích prvků osciloskopu pro určité měření (angl. setup). Standardním je u osciloskopů s číslicovou pamětí režim autoset resp. autoscale, volitelný tlačítkem a umožňující samočinné nastavení vertikální citlivosti, rychlosti časové základny a spouštěcího režimu tak, aby (ve většině případů) vznikl na stínítku stabilní obrázek přibližně dvou period měřeného signálu. Většina těchto osciloskopů má také režim zvaný obálka (angl. envelope), kdy se zobrazují jen největší a nejmenší svislá výchylka pro každou časovou souřadnici na stínítku. Tento režim umožňuje sledovat kolísání signálu při opakovaných měřeních. Blokové schéma a parametry číslicové paměti dynamických dějů Číslicová paměť dynamických dějů (číslicový záznamník, angl. transient recorder, waveform recorder) slouží k záznamu a zobrazení přechodných dějů. Proti osciloskopům s číslicovou pamětí mívá více kanálů (2,4,8 i více) a větší rozlišení (k digitalizaci vstupního analogového signálu - obr.12 - jsou často použity 16-ti bitové AČP). Také hloubka paměti na kanál bývá větší než u běžných osciloskopů s číslicovou pamětí (až několik milionů vzorků na kanál), což je důležité pro snímání různých neelektrických veličin. Vzorkovací frekvence bývají nižší než u osciloskopů s číslicovou pamětí (obvykle do 1 MSa/s). Součástí transient recorderu není zobrazovací zařízení - používá se ve spojení s analogovým osciloskopem nebo zapisovačem. Jako u osciloskopů s číslicovou pamětí se používá paměť "FIFO". Spouštěcí signál se generuje buď jako v osciloskopu (vnější nebo vnitřní spouštění), nebo je vyslán z připojeného počítače přes obvody 11 / 16
standardizovaného rozhraní. Signál v každém kanálu je zesílen ve vstupním zesilovači VZ, vzorkován ve vzorkovači V a převeden na číslo v analogově-číslicovém převodníku AČP (obr.12). Digitalizovaný průběh zachycený v paměti může být zobrazen na vnějším analogovém osciloskopu nebo souřadnicovém zapisovači. Za tím účelem je pomocí číslicově-analogového převodníku ČAP převeden do íinalogového tvaru. Připojený osciloskop se používá v režimu X-Y a jeho vstup X je připojen k výstupu schodovitého pilového napětí z generátoru časové základny GČZ přístroje. Obr.12:Základní blokové schéma číslicové paměti dynamických dějů Tento generátor je tvořen čítačem čítajícím hodinové impulsy, na jehož výstupu je číslicově analogový převodník. Data z paměti jsou opakovaně čtena rychlostí desítek tisíc bodů za sekundu v případě zobrazení na osciloskopu, resp. jsou přečtena jednorázově rychlostí desítek bodů za sekundu při zobrazení na X-Y zapisovači (souřadnicovém zapisovači). Číslicový výstup dat umožňuje prostřednictvím standardizovaného rozhraní přenést celý průběh do počítače k dalšímu zpracování.
1.3. Přivedení signálu ke vstupu osciloskopu Napětí na výstupu reálného obvodu se změní, je-li k obvodu připojena vnější impedance. Velikost této změny závisí na poměru zatěžovací impedance k impedanci ekvivalentního zdroje obvodu mezi body, ke kterým je připojena vnější impedance. Tato ekvivalentní impedance se najde pomocí Théveninovy věty (věty o náhradním zdroji). Obvyklá vstupní impedance osciloskopu (analogového i číslicového) je odpor 1 MΩ paralelně s kapacitou asi 30pF. Ve většině případů je dominantní složkou vstupní impedance osciloskopu rezistor; obsahuje-li ale měřený průběh strmé hrany (a jim odpovídající vysokofrekvenční složky signálu), pak kapacitní složka vstupní impedance může způsobit změnu tvaru zobrazeného průběhu. Měřené průběhy neobsahující strmé změny amplitudy obvykle nejsou vlivem vstupní impedance osciloskopu výrazněji změněny. Působení vstupní impedance na vf složky signálu je ovlivněno skutečností, že pro přivedení signálu od měřeného zdroje ke vstupu osciloskopu je nutno použít vedení nezanedbatelné délky (obvykle přibližně 1 m). Účelem tohoto vedení je přivést signál na vstup osciloskopu s minimální změnou tvaru. Ke změně tvaru signálu může dojít v důsledku zatěžovacího efektu kombinace kabelu a vstupní impedance osciloskopu a v důsledku rušivých signálů, které se přidávají k měřenému signálu během přenosu. Vliv rušení je podstatně snížen užitím stíněných kabelů, nejčastěji koaxiálního kabelu. Vnější válcový stínící plášť koaxiálního kabelu je připojen k zemi (skříni osciloskopu) a zabraňuje vazbě vstupu osciloskopu se zdroji rušivého signálu. Obvykle se používají kabely s vlnovou (charakteristickou) impedancí 50Ω nebo 75Ω. Je-li takový kabel připojen ke vstupu osciloskopu s odporem 1 MΩ, není vedení impedančně přizpůsobeno a na vstupu osciloskopu dochází k odrazům signálu, které mohou způsobit nezanedbatelné změny tvaru, pokud signál obsahuje vf složky. Tyto odrazy v praxi trvají velmi krátkou dobu a na stínítku se projeví jenom u vysokofrekvenčního osciloskopu pracujícího s vysokou rychlostí časové základny. To je hlavní důvod užití vstupní impedance 50Ω u vysokofrekvenčních osciloskopů. Při vysokofrekvenčních měřeních musí být impedanci kabelu přizpůsoben jak vstup osciloskopu, tak vnitřní odpor zdroje signálu, pokud nemá dojít k odrazům v místech napojení. Pokud nelze dosáhnout impedančního přizpůsobení, může se zmenšení zkreslení měřeného napětí dosáhnout zmenšením zatížení měřeného obvodu osciloskopem zvýšením vstupní impedance osciloskopu. Současně je vhodné zajistit určité stínění přívodu k osciloskopu. Oba tyto cíle splňují napěťové sondy. Pasivní napěťová sonda obsahuje rezistor paralelně s proměnným kondenzátorem v tzv. hlavě sondy a přívodní koaxiální kabel. Živý vstup k osciloskopu je zakončen kovovým hrotem, kterým se obsluha dotkne výstupu měřeného signálu. Zem vstupu je obvykle připojena pomocí krátkého vodiče připojeného k plášti sondy a zakončeného krokosvorkou. Kombinace rezistoru R1 a kapacitoru C1, v hlavě sondy tvoří horní Obr.13:Pasivní sonda 1:10 k osciloskopu: a) ekvivalentní obvod, b) ekvivalentní obvod jako frekvenčně kompenzovaný část frekvenčně kompenzovaného RC děliče napětí odporový dělič napětí. (impedanci Z1), jehož spodní část je tvořena vstupní 12 / 16
impedancí osciloskopu R1, C1 paralelně připojenou k ekvivalentní kapacitě kabelu Ck (Z2 obr.13) Hlava sondy se umísťuje co nejblíže k měřenému zdroji signálu, aby byla minimalizována parazitní kapacita. Výsledná vstupní impedance kombinace sonda-osciloskop je obvykle odpor 10 MΩ nebo 100 MΩ paralelně s kapacitou řádu jednotek pF. Nevýhodou pasivních sond je zeslabení amplitudy signálu na vstupu osciloskopu (nejčastěji 1:10 nebo 1:100). Sondu a její ekvivalentní obvod znázorňuje obr.13. Pasivní sondy musí být správně vykompenzovány, aby nepůsobily deformaci měřeného průběhu. V obvodu z obr.13 musí být dosaženo podmínky C1R1=(Ci*Ck)Ri, kde Ck je kapacita kabelu. Pak platí Z1 / (Zl+Z2) = R1 / (R1 + R2). Hodnotu kapacity C1 lze nastavovat šroubovákem. Nejpohodnější způsob kompenzace sondy je použití pravoúhlé posloupnosti pulsů na vstupu sondy a pozorování zobrazeného průběhu. Při užití signálu o frekvenci 1 kHz (obvykle dostupného na panelu osciloskopu jako kalibrační signál pro kalibraci vertikálního a horizontálního kanálu osciloskopu) musí být zobrazený signál posloupnost dokonale pravoúhlých pulsů. Je-li signál deformovaný, je nutno dostavit kapacitu C1 (viz obr.14). Aktivní sondy obsahují aktivní prvky (FE tranzistor, zesilovač), zapojené jako napěťový sledovač. Mají větší vstupní impedanci a širší frekvenční pásmo než sondy pasivní a často ani nesnižují amplitudu (i když některé jsou také sondami 1:10). Jejich nevýhodou je vyšší cena a nutnost zvláštního napájecího zdroje pro aktivní prvky uvnitř sondy. Potřebujeme-li měřit dobu náběhu "pravoúhlého pulsu", musíme vzít v úvahu dobu náběhu kombinace osciloskopu se sondou tnos. Je-li doba Obr.14:Kompenzace pasivní sondy užitím posloupnosti pravoúhlých impulsů kkHz náběhu měřeného signálu tns, je doba náběhu zobrazeného signálu přibližně t nz = t 2ns t 2nos Někdy je uvedena doba náběhu sondy tnsd samostatně. Pak je doba náběhu zobrazeného průběhu přibližně
t nz = t 2nst 2not 2nsd , kde tno je doba náběhu osciloskopu.
Proudové sondy se používají k zobrazení průběhu proudu na stínítku osciloskopu. Jsou to převodníky proudu na napětí. Nejčastěji jde o malé měřicí transformátory proudu s rezistorem na výstupu a magnetickým jádrem tvořeným rozevíratelnými čelistmi. Vodič protékaný měřeným proudem tvoří primární vinutí transformátoru. Tyto sondy neměří stejnosměrnou složku proudu (jejich frekvenční pásmo je např. 120 Hz až 100 MHz). Kromě nich se používají také zpětnovazební sondy s Hallovým generátorem, které mají užší frekvenční pásmo (např. 0Hz až 100kHz), ale měří i stejnosměrný proud. Dnes se vyrábějí i kombinované proudové sondy, využívající obou principů a dosahující frekvenčního pásma od nuly do stovek Mhz.
2. Zapisovače Zapisovače jsou přístroje sloužící k trvalému grafickému záznamu některé elektrické nebo neelektrické veličiny jako funkce času nebo v závislosti na druhé veličině. První typ zapisovačů se nazývá X-t zapisovače, druhý typ jsou X-Y zapisovače nebo souřadnicové zapisovače. Jako zápisové médium se používá různých typů papírů (normální, tepelně citlivý, světelně citlivý apod.), většinou s předtištěnými rastry. U X-t zapisovačů posouvá pohonný motor papír konstantní rychlostí nastavitelnou v určitých mezích z ovládacího panelu, u X-Y zapisovačů je papír většinou připevněn k podložce a zápisové pero se nad ním pohybuje v obou pravoúhlých souřadnicích. Zapisovače se používají k záznamu pomalu proměnných veličin. Klasické analogové elektromechanické zapisovače mají šířku pásma od nuly do jednotek Hz, výjimečně do zhruba 200 Hz. Moderní (a daleko dražší) číslicové zapisovače zpracovávají signály do kmitočtu až desítek kHz.
2.1. Analogové elektromechanické zapisovače Základní typ je tzv. přímopíšící zapisovač. Je to některé elektromechanické měřicí ústrojí s poměrně velkým pohybovým momentem, na konci jehož ukazovatele (ručky) je upevněno pero spojené kapilárou se zásobníkem speciálního inkoustu, případně fix nebo kuličkové pero. Ručka se pohybuje v kolmém směru 13 / 16
na posouvaný pruh papíru a zaznamenává okamžitou hodnotu mčřené veličiny nebo parametru signálu. Rychlost papíru bývá nastavitelná v rozsahu zhruba od 1 cm/h do 1 cm/s. Pohybový moment měřícího ústrojí musí být velký, protože je nutno překonávat tření mezi perem a papírem. Magnetoelektrické přístroje se používají pro zápis stejnosměrných napětí a proudů; jsou-li doplněny převodníkem střídavého napětí na stejnosměrné pak k záznamu časových změn střední nebo efektivní hodnoty střídavého napětí nebo proudu. Ferodynamické přístroje se používají k záznamu okamžitých hodnot činného nebo jalového výkonu na čase (zapisovací wattmetry). Pokud obsahují vícesystémový wattmetr, mohou zapisovat průběh celkového činného nebo jalového výkonu trojfázové sítě. V jedné skříni je často několik zapisovacích ústrojí (yícekanálové zapisovače). Třída přesnosti přímopíšících zapisovačů je obvykle 2,5. Vlastní spotřeba zapisovače je poměrně vysoká, protože musí pokrýt energii Obr.15:přímopíšící zapisovač s magnetoelektrickým ústrojím (PMpermanentní magnet, MC-pohyblivá měřící cívka, P-pisátko; není potřebnou k pohybu pisátka po záznamovém zakreslena direktivní pružina) papíru. Mezní frekvence (pro pokles přenosu o 3 dB) jsou obvykle jednotky až desítky Hz. U moderních provedení přímopíšícího zapisovače s magnetoelektrickým ústrojím se využívá principu lineárního motoru (obr.15). Předřazením zesilovače na vstup zapisovače dostaneme zapisovač se zesilovačem. Ten může mít velkou napěťovou citlivost (rozsahy řádu mV) a vysoký vstupní odpor (100 kΩ nebo 1MΩ), protože energie potřebná k pohybu pisátka je hrazena z napájecích zdrojů zapisovače. Chyby těchto zapisovačů jsou zhruba 1 %, frekvenční pásmo je určeno použitým elektromechanickým ústrojím. Bodové zapisovače slouží k zápisu několika měřených veličin. Eliminují chybu třením pisátka o papír. Ručka ústrojí se pohybuje nad papírem a nad několikabarevnou páskou obdobnou pásce v psacím stroji, aniž by docházelo k zápisu. Jednotlivé vstupní kanály jsou sekvenčně připojovány k zapisovacímu ústrojí. Vždy po připojení určitého vstupu se pisátko přitlačí mechanicky k papíru a vytvoří bod určité barvy. Pak se připojí následující vstup, postup se opakuje, ale použije se páska jiné barvy. Tak dostaneme záznam několika veličin tvořený vzájemně proloženými posloupnostmi bodů různých barev. Jde zřejmě o vzorkování v čase a časový multiplex, obdobný principu osciloskopu s číslicovou pamětí s multiplexerem (obr.12). Tyto zapisovače lze použít pouze pro záznam velmi pomalu proměnných veličin (např. průběhu teploty v peci), protože jde o vzorkování velmi nízkou frekvencí a musí být splněna vzorkovací věta. Kompenzační zapisovače (též servomechanické zapisovače) jsou založeny na principu samočinného kompenzátoru napětí. Jejich princip ukazuje obr.16. Kompenzační napětí uk se automaticky mění tak, aby bylo shodné s měřeným napětím ux. K vyvažování je využita zpětnovazební smyčka tvořená zesilovačem Z, servomotorkem M a potenciometrem PO (obr.16a). Pisátko P je spojeno s jezdcem potenciometru a jeho poloha je úměrná uk. Druhá možnost je nahrazení potenciometru Obr.16: Bloková schémata kompenzačních zapisovačů: ve zpětnovazební smyčce inkrementálním čidlem IČ, řídicí logikou s reverzním čítačem a číslicověanalogovým převodníkem ČAP (obr.16b). Výstupním signálem inkrementálního čidla je pulsní výstup PV a směrový výstup SV, indikující smysl otáčení kódového kotouče. Inkrementální čidlo generuje jeden impuls na impulsním výstupu při každém inkrementálním pootočení kódového kotouče spojeného s jezdcem potenciometru (např. o 1/1024 otáčky). Pulsy jsou přičítány k nebo odečítány od obsahu reverzního čítače a obsah čítače je převeden na kompenzační napětí. Tlumení je zvoleno tak, aby při rychlých změnách vstupu nedocházelo k výraznějším překmitům pisátka, ale aby byla odezva co nejrychlejší. Obr.16:a) klasické řešení Vstupní rozsahy zapisovače se mění rezistorovým 14 / 16
děličem. Vstupní odpor bývá stovky kQ, chyby zapisovačů tohoto typu jsou řádu 0,1 %.
Obr.16:b) řešení s inkrementálním čidlem
Zapisovače X-Y (souřadnicové zapisovače) X-Y zapisovač se používá k záznamu dvou napětí - jednoho jako funkce druhého - v pravoúhlých souřadnicích. Je v podstatě složen ze dvou kompenzačních zapisovačů popsaných výše, z nichž každý ovládá vychylování pisátka ve směru jedné souřadnice. Zápisový papír se obvykle nepohybuje, k podložce je fixován (podtlakem, elektrostaticky nebo pomocí permanentních magnetů). Pokud obsahuje také zdroj pilového napětí, může být tento typ zapisovače použit i jako X-t zapisovač. Souřadnicové zapisovače lze použít jako výstupní zařízení některých spektrálních analyzátorů, impedančních analyzátorů a zapisovačů V-A charakteristik elektronických prvků. Používají se také pro zápis hysterézních smyček v magnetických měřeních. Jejich chyby jsou řádu 0,1 % z rozsahu, vstupní odpor je obvykle 1 MQ v každém kanálu.
2.2. Číslicové zapisovače Číslicové souřadnicové zapisovače Číslicový souřadnicový zapisovač (plotr, angl. plotter) se používá k získání kopie grafického výstupu z počítačů v souřadnicích x-y. Grafický výstup je na vstup plotru vyslán jako soubor dat. Plotry mají obvykle vysoké rozlišení a přesnost, používají se v náročných aplikacích (kreslení plánů, map apod.) a jsou podstatně dražší než spolupracující počítač. Formát signálů dálkového ovládání plotrů je předepsán normou. K pohybu pisátka v obou souřadnicích se u levnějších plotrů používají reverzní čítače a krokové motorky. Plotry s lepšími dynamickými vlastnostmi používají číslicově-analogové převodníky a analogové servomechanismy. Pro ovládání plotrů se používají zvláštní strojové jazyky. Existují plotry s několika pisátky, poskytující záznam několika průběhů v různých barvách. Dnes je většina počítačů schopna grafického tisku na tiskárnu. Pokud nejsou na přesnost záznamu extrémní požadavky, může tiskárna nahradit drahý plotr. Číslicové a hybridní elektronické zapisovače V současné době nabízí řada výrobců zapisovače pracující na stejném principu jako číslicové paměti dynamických dějů a osciloskopy s číslicovou pamětí, které ale mohou mít podstatně větší počet kanálů, poskytují výstup na záznamovém papíru a mají podstatně nižší horní mezní frekvenci. Jde o digitalizaci 15 / 16
signálů v jednotlivých vstupních kanálech. Buď má každý kanál svůj AČP, nebo se používá jediný AČP a časový multiplex (sekvenční přepínání) kanálů. Na vstupech těchto zapisovačů je možno použít řady převodníků elektrických i neelektrických veličin na stejnosměrné napětí a zapisovat tak časové průběhy teplot, pnutí v materiálu, tlaků, elektrického proudu, výkonu, efektivní hodnoty napětí apod. Pro pomalejší zapisovače s vyšší přesností se používají integrační AČP (např. 14 bitů, chyba 0.05 % z údaje ±2 kvantizační kroky, 30 až 300 vstupních kanálů, vzorkovací frekvence 0,5 Hz nebo nižší v každém kanálu). Rychlejší zapisovače mají šířku pásma desítky kHz (např. 40 kHz), AČP jsou většinou dvanáctibitové s postupnou aproximací, vzorkovací frekvence např. 100 kHz nebo 200 kHz. Počet kanálů je např. 8, hloubka paměti např. 1 MSa, rychlost posuvu papíru 1 mm/h až 250 mm/s. Tyto přístroje jsou vybaveny vstupy pro vnější paměť, takže je možno naměřená data pohodlně přenášet do počítače. Vstupní impedance bývá 1 MQ, chyba např. 0,2 % z rozsahu. Výstup je na tepelně citlivý papír nebo na speciální typ vestavěné laserové tiskárny. Tyto zapisovače jsou vybaveny přístrojovým rozhraním např. IEEE 488 a sériovým výstupem, je možno zakoupit programové vybavení pro základní číslicové zpracování změřeného průběhu. Cena těchto přístrojů ale podstatně převyšuje cenu počítače.
16 / 16
