Digitale oscilloscopen
(376)Het is moeilijk je een elektrotechnicus voor te stellen die nog nooit in aanraking is geweest met een oscilloscoop. Dit zijn multifunctionele en zeer nauwkeurige meetinstrumenten die nu bijna uitsluitend in digitale versies te vinden zijn. De afgelopen decennia zijn er veel betaalbare modellen op de markt verschenen (vaak bedoeld voor gebruik door hobbyisten, amateurs en studenten). Omdat het aanbod van TME zich niet alleen richt op ervaren professionals, presenteren we hieronder algemene kenmerken van digitale oscilloscopen, waarbij we hun belangrijkste functies en toepassingsgebieden beschrijven.
Wie gebruiken oscilloscopen?
Oscilloscopen behoren tot de belangrijkste meetinstrumenten, dus het antwoord op deze vraag zou moeten zijn: iedereen die met elektronica te maken heeft. Met een oscilloscoop kunt u spanningsveranderingen in de loop van de tijd waarnemen, waardoor u de werking van elektrische en elektronische circuits (bv. voedingen en converters) kunt analyseren, de werking van prototypes kunt verifiëren, onderzoek kunt doen en les kunt geven in de basiswetten van de natuurkunde. Op het gebied van radiotechniek, waarvan de toepassingen zich uitbreiden met de ontwikkeling van draadloze communicatiemethoden, is werken zonder oscilloscoop praktisch onmogelijk, omdat hiermee de juiste bedrijfsparameters van zenders en ontvangers kunnen worden verkregen. In digitale elektronica worden oscilloscopen minder vaak toegepast, vooral voor het detecteren van interferentie, het onderzoeken van PWM-signalen en de werking van A/C- en C/A-converters, maar we zeggen er wel bij dat de basisfuncties van oscilloscopen voortdurend worden uitgebreid, waardoor ze ook handig zijn op het gebied van analyse van communicatieprotocollen etc.
Verschil tussen analoge en digitale oscilloscopen
Er zijn nog maar weinig elektronica-ingenieurs die nog steeds analoge oscilloscopen gebruiken (meestal vanwege gewoonte en kosten), maar decennia lang waren zij de enige beschikbare optie. Hun werking is (in een notendop) gebaseerd op het bewerken en versterken van elektrische signalen, zodanig, dat ze een op het scherm gerichte bundel elektronen buigen met behulp van elektromagneten. Veranderingen in de stromen in de spoelen van de elektromagneten (cyclisch voor de horizontale as en afhankelijk van de ingangsspanning voor de verticale as) veroorzaken beweging van het punt waar de elektronen op het oppervlak van de beeldbuis vallen. Door de frequentie waarmee de horizontale coördinaat van het punt verandert aan te passen aan de frequentie van het signaal, ontstaat een duidelijke grafiek van de spanningsveranderingen in een bepaalde tijd. In het geval van digitale oscilloscopen worden, zoals de naam al doet vermoeden, metingen uitgevoerd met behulp van analoog-digitaal-omzetters en worden de verkregen gegevens in het geheugen opgeslagen en niet rechtstreeks op het scherm gepresenteerd, maar via software.
Voordelen en functies van digitale oscilloscopen
Omdat digitale oscilloscopen de meetresultaten opslaan als gegevens, kunt u ze bewerken in software en met logische schakelingen. Hierdoor kunt u apparaten creëren met een breed meetbereik en gedetailleerde analyse van de verkregen waarden. Dergelijk onderzoek wordt uitgevoerd met behulp van verschillende functies:
Registratie en weergave van spanningsgrafieken
In tegenstelling tot analoge apparaten kunnen digitale oscilloscopen zelfs een enkele puls plotten, omdat het signaal dat gemeten wordt niet periodiek hoeft te zijn. Het is echter ook mogelijk om de spanningswaarden in realtime te volgen, terwijl de software automatisch de extremen aangeeft en de bemonsteringsperiode aanpast. Het is ook mogelijk om delen van de grafiek te vergroten en de schaal voor elk kanaal afzonderlijk aan te passen.
Meet- en analysefuncties
Met de basisfuncties van digitale oscilloscopen kunt u spannings- en frequentiemetingen uitvoeren, evenals wiskundige bewerkingen op geselecteerde waarden en grafieken, waardoor u fasen, kloksignalen of PWM kunt verifiëren. Vaak beschikken de apparaten ook over de functie FFT (Fast Fourier Transform), waardoor de oscilloscoop als spectrumanalyseapparaat kan fungeren (zodat u o.a. interferentie, ruis en andere signalen over een breed frequentiespectrum kunt identificeren).
Triggermogelijkheden
Digitale oscilloscopen bieden de gebruiker een groot aantal mogelijkheden op het gebied van triggerinstelling, ofwel het definiëren van de voorwaarden die het starten van een meting veroorzaken. Instellingen in dit bereik zijn onder andere overshoot, impuls, detectie van dalende of stijgende flanken en zelfs kromming. De apparaten zijn ook uitgerust met controle van de "wacht"- of "dode"-periode, nl. de functie Holdoff Control. Met deze constructie kan de oscilloscoop gebruikt worden om specifieke golfvormfragmenten en anomalieën te observeren en zelfs seriële communicatielijnen te bewaken.
Connectiviteit en datatransmissie
Om grote hoeveelheden gegevens te verzamelen en te analyseren wordt meestal gespecialiseerde computersoftware gebruikt. Om de import van data uit een oscilloscoop mogelijk te maken, zijn deze apparaten uitgerust met standaard communicatie-interfaces (USB, ethernet, soms zelfs wifi). Hierdoor kunt u niet alleen informatie downloaden, maar ook metingen in realtime bekijken en zelfs de oscilloscoop op afstand bedienen. Dit soort faciliteiten zijn vooral nuttig bij laboratoriumonderzoek en in de fase van prototyping - vooral als ze worden uitgevoerd door teams van ingenieurs, waarbij het delen van resultaten tot de belangrijkste aspecten van het werk behoort.
Sondes en accessoires
Een extra uitbreiding van de toepassingen van oscilloscopen zijn gespecialiseerde sondes waarmee u verschillende grootheden en de werking van energiebronnen en signalen kunt onderzoeken. Deze omvatten de volgende sondes: passieve sondes (typische), uitgerust met een schakelaar voor de dempingsfactor (nl. met een spanningsdeler om de gevoeligheid voor ruis te beperken), stroomsondes (om veranderingen in stroom te registreren), differentieelsondes (vooral gebruikt om hoge spanningen in elektriciteitsleidingen te meten) en actieve sondes (die extra functies of een groter bereik van de geteste frequenties kunnen bieden).
Softwaregebaseerde interface
Een groot voordeel van digitale oscilloscopen is hun uitgebreide interface die niet alleen de mogelijkheden van de apparaten uitbreidt, maar ook het gebruik eenvoudiger maakt. Ten eerste kan het scherm met zijn relatief hoge resolutie gedetailleerde informatie weergegeven, evenals 'hints' en uitleg over de afzonderlijke functies. Ten tweede maakt het gebruik van aanraakmatrices de bediening van de oscilloscoop bijna intuïtief. Ten derde kan de gebruiker de werking van het apparaat aanpassen aan zijn behoeften, bv. door instellingen op te slaan voor vaak herhaalde metingen. Tot slot bieden fabrikanten vaak softwarepatches aan voor hun oscilloscopen die de functionaliteit en nauwkeurigheid verbeteren - afzonderlijke firmware pakketten zijn soms verkrijgbaar tegen extra kosten en bieden een aanzienlijke uitbreiding van de mogelijkheden van de apparaten.
Extra functies
Moderne oscilloscopen zijn laboratoriuminstrumenten waarvan de mogelijkheden veel verder gaan dan alleen meten. Ze hebben vaak ingebouwde functiegeneratoren met verschillende golfvormen, kunnen communicatieprotocolsignalen decoderen en kunnen zelfs dienen als logische analyzers (die de toestand van verschillende lijnen over een relatief lange periode registreren). Deze functies zijn vooral handig bij het werken met digitale elektronica.
Gebruik van digitale oscilloscopen
De bovenstaande functies maken het gebruik van oscilloscopen op veel gebieden mogelijk - en ze zijn ook goedkopere geworden. Bovendien hebben zelfs de basismodellen hoge werkfrequenties, een goede resolutie en hoge nauwkeurigheid. Hierdoor is niet alleen het toepassingsgebied van oscilloscopen groter geworden, maar ook de groep gebruikers.
Testen en onderhouden van elektronische circuits
Een gebied waarin oscilloscopen onmisbaar zijn, is het ontwerpen en repareren van elektronische apparaten. Hier is het belangrijkste om de juiste spannings-, stroom- en frequentiewaarden te verkrijgen zoals voorzien in het ontwerp. De oscilloscoop maakt het mogelijk om afwijkingen van de correcte bedrijfsparameters te detecteren en fouten of onjuiste aannames in de ontwerpfase te identificeren.
Signaalanalyse in telecommunicatie
Communicatie- en telecommunicatienormen definiëren strikt de toegestane bedrijfsspecificaties van apparaten en componenten. In geval van interferentie of zelfs fouten kunt u met de oscilloscoop de oorzaken opsporen: de bron van de interferentie lokaliseren, de tijdstippen meten waarop signalen worden verzonden, de juiste spanningswaarden tussen de lijnen meten etc.
Kwaliteit van de voedingsbron
Een ander belangrijk toepassingsgebied voor digitale oscilloscopen is het testen van voedingsbronnen en voedingskwaliteit. Dit zijn typische activiteiten die worden uitgevoerd als onderdeel van het onderhoud en de inspectie van industriële installaties, met name machineparken waar geautomatiseerde systemen werken. Hier worden oscilloscopen gebruikt om de spanningen in stroomleidingen of omvormeruitgangen te verifiëren, evenals de stromen die aan individuele componenten worden geleverd - om optimale werking van het systeem en de veiligheid van de operators te garanderen.
Ontwikkeling en onderzoek
Omdat digitale oscilloscopen niet alleen multifunctioneel maar ook zeer gevoelig zijn, worden ze veel gebruikt in laboratoriumonderzoek - in ontwikkelingscentra en universiteiten. Ze worden uiteraard gebruikt op het gebied van natuurkunde, elektrotechniek, radiotechniek, maar ook scheikunde, astronomie en geneeskunde – vrijwel elke discipline waarin elektronische apparatuur een steeds belangrijkere rol speelt.
Educatie
Tot slot wijzen we er nog op dat oscilloscopen een uitstekend educatief hulpmiddel zijn. Het stelt leerlingen en studenten in staat om experimenteel het verloop van een elektrische stroom te onderzoeken en te 'zien', wat moeilijk te illustreren is en vaak wordt onderwezen via pure theorie - dit vertaalt zich lang niet altijd in bevredigende resultaten.
Magazijn:
