Osciloskopy a jejich použití v technických měřeních

      

Úvod

      Osciloskop - oscilograf zobrazuje na stínítku obrazovky nebo LC displeji v časové (Y, t) a většinou i v kmitočtové (Y, f) oblasti průběhy připojených elektrických signálů.
Speciální konfigurace připojení signálů (X, Y) zobrazuje také závislost jednoho napětí na napětí druhém.

      Bez zviditelnění elektrických signálů by nebylo možné vyvíjet obvodová řešení, sledovat jejich chování a v neposlední řadě řešit a odstraňovat případné závady. Od základních osciloskopů analogových se v dnešní době dostáváme k osciloskopům digitálním se speciálními funkcemi a v silnoproudé praxi k osciloskopům s vnitřní pamětí analyzujícím průběhy v síti - analyzátorům sítě.

      Od roku 1947, kdy byl firmou Tektronix (USA) představen první analogový osciloskop (10MHz, 1 kanál) prošel vývoj osciloskopů dlouhou cestou vedoucí ke stále dokonalejším přístrojům.

      U prvního osciloskopu Tektronix byly aplikovány novinky používané při výrobě osciloskopů i v dnešní době:
-vynucený pracovní bod tranzistoru
-diferenční zesilovače
-stabilizované napájecí napětí
-kalibrovaná spouštěná časová základna
-odpovídající impulsní odezva obvodů

      Současné nejmodernější přístroje mohou sledovat signály v časech od několika pikosekund s amplitudou milivoltů. Součástí dnešních osciloskopů je také speciální příslušenství (napěťové a proudové sondy, komunikační rozhraní, zásuvné matematické moduly, softwarové prostředky apod.).

1. Rozdělení osciloskopů

      1.1. Zpracování a zobrazení připojených signálů člení osciloskopy do dvou základních částí:
- osciloskopy analogové (ART - Analog Real Time: přístroje pracují v reálném čase)
- osciloskopy s digitální pamětí - digitální osciloskopy (DSO - Digital Storage Oscilloscope: přístroje vzorkují signál a matematicky zpracovávají naměřené hodnoty, které jsou následně zobrazeny na LC displeji, popř. speciální obrazovce).

      Podle funkcí vnitřních elektronických obvodů, lze rozdělit výše uvedené členění na:

analogové osciloskopy
-osciloskopy základní
-osciloskopy s integrovanými přístroji
-osciloskopy vzorkovací
-osciloskopy s analogovou pamětí
-osciloskopy analogově / digitální
-osciloskopy s kurzory a vestavěnými matematickými funkcemi
-vysokonapěťové osciloskopy
-přístroje monitorující bioelektronické signály (měření v medicíně)

digitální osciloskopy
-osciloskopy digitální základní
-osciloskopy digitální s rozšířenými funkcemi a speciálními technologiemi zpracování informace o signálu a následného zobrazení na displeji.

Mezi speciální funkce digitálních osciloskopů ze zahrnout rozšířené spouštění časové základny, matematické moduly a především způsob zobrazení připojeného signálu.

      1. 2. Vazba mezi kanály rozděluje digitální osciloskopy na
-osciloskopy s galvanicky spojenými kanály
-osciloskopy s galvanicky oddělenými kanály

      1. 3. Napájení dělí osciloskopy na
-osciloskopy napájené ze sítě
-osciloskopy napájené z akumulátorů

Nejmodernější digitální osciloskopy zobrazují průběh signálu v DPX 3-D databázi, ve které představuje třetí osa "Z" informaci o náhlých změnách v signálu (obdoba modulace osy "Z" u analogového osciloskopu). Technologii zpracování DPX 3-D databáze používají osciloskopy Tektronix řady TDS 5000 a vyšších. Osa "X" představuje časovou rovinu, osy "Y" amplitudu a osa "Z" umožňuje zobrazit nestandardní změny v signálu. Většina základních digitálních osciloskopů používá zobrazení 2-D databáze (osy "X" a "Y").

2. Základní parametry osciloskopů

Základní parametry osciloskopů mají podstatný vliv na kvalitu zobrazeného průběhu. Při nevhodné volbě parametrů osciloskopu jak analogového, tak přístroje s digitální pamětí je připojený signál zobrazen nesprávně což může vést ke špatným závěrům při analýze elektronických obvodů a jejich zapojení.

      2. 1. Šířka kmitočtového pásma

Šířka kmitočtového pásma (BANDWIDTH) označuje kmitočtové pásmo osciloskopu, ve kterém může být zobrazen harmonický průběh. Horní limitní kmitočet je určen poklesem amplitudy o 3dB ve vztahu k amplitudě měřeného signálu.
Osciloskop s kmitočtovým pásmem 100MHz zobrazí tedy signál o amplitudě 1 V a kmitočtu 100 MHz amplitudou na stínítku obrazovky 0,707 V. Současné osciloskopy zobrazují také stejnosměrné složky (anglicky označeno DC). Např. v literatuře se můžeme setkat s vyjádřením, že osciloskop pracuje v kmitočtovém pásmu DC až 100 MHz.
Osciloskop je zpravidla určen především ke sledování nesinusových průběhů a hlavně k zobrazení průběhů impulsních. Zpracování a zobrazení průběhů na stínítku obrazovky osciloskopu musí odpovídat tedy především metodám impulsního zpracování signálů.
Je obecně známo, že impuls obsahuje mnoho kmitočtů a jeho tvar nezávisí pouze na amplitudových složkách jednotlivých kmitočtů ale také na fázových poměrech mezi kmitočty. Proto jsou zesilovače v osciloskopech zpravidla řešeny jako stejnosměrně vázané širokopásmové impulsní zesilovače.
Důležitou charakteristikou osciloskopu, ve vztahu k pozorování impulsních průběhů, je doba náběhu vertikálního zesilovače osciloskopu.

Přibližný vztah mezi dobou náběhu a kmitočtovým pásmem osciloskopu je dán obecně známým vztahem. Z praktického hlediska lze říci, že by měl mít osciloskop 3 až 5 krát vyšší kmitočtové pásmo než má pozorovaný průběh. Je-li šířka pásma osciloskopu osciloskop 7 krát vyšší v porovnání s měřeným průběhem lze počítat při zobrazení ze základní chybou přístroje (např. 1%).
Osciloskopem o šířce kmitočtového pásma 100MHz lze pozorovat a reálně zobrazit průběhy s šířkou pásma do 100 MHz. Nejvyšší kmitočty mohou být však zkresleny na základě použité pasivní napěťové sondy, limitního nastavení časové základny, nesprávného zobrazení náběžné hrany apod. K pozorování průběhů s šířkou pásma 100 MHz je vhodnější použít osciloskop s šířkou 3 až 5 krát vyšší (teorie integrity připojených signálů k osciloskopům).
Je tedy lepší používat k měření osciloskop s vyšším kmitočtovým pásmem. Při měření v kmitočtové oblasti např. 20 MHz je vhodné mít k dispozici osciloskop s kmitočtovým rozsahem 100 MHz.
Dalším podstatným kritériem osciloskopu je odezva vnitřních obvodů na přebuzení a zotavení po přebuzení. Ověřit tyto vlastnosti lze jednoduše při změně citlivosti vstupního zeslabovače.

Celý článek s matematickými vztahy a obrázky je k dispozici v AMT.