Digitální osciloskopy
(447)Je těžké si představit elektroinženýra, který nikdy nepřišel do styku s osciloskopem. Jedná se o multifunkční a přesné měřicí přístroje, které jsou v současné době k dispozici téměř výhradně v digitálních verzích. V posledních desetiletích se na trhu objevilo mnoho cenově dostupných modelů (často určených pro amatéry, nadšence a žáky). Vzhledem k tomu, že nabídka TME není určena pouze zkušeným profesionálům, uvádíme níže obecný popis digitálních osciloskopů se specifikací jejich nejdůležitějších funkcí a oblastí použití.
Kdo používá osciloskopy?
Osciloskopy patří mezi nejdůležitější měřicí přístroje, takže odpověď na takovou otázku by měla znít: každý, kdo se zabývá elektronikou. Osciloskop umožňuje sledovat změny napětí v průběhu času, což umožňuje analyzovat činnost elektrických a elektronických obvodů (např. napájecích zdrojů a měničů), ověřovat činnost prototypů, provádět výzkum a učit o základních fyzikálních zákonech. V oblasti radiotechniky, jejíž využití se rozšiřuje spolu s rozvojem bezdrátových komunikačních metod, je práce bez osciloskopu prakticky nemožná, protože umožňuje získat správné provozní parametry vysílačů a přijímačů. V případě digitální elektroniky nacházejí osciloskopy menší uplatnění, používají se především k detekci šumu, testování PWM signálů a provozu A/C a C/A převodníků, ale je třeba také zdůraznit, že základní funkce osciloskopů se neustále rozšiřují, díky čemuž jsou užitečné i v oblasti analýzy komunikačních protokolů apod.
Rozdíl mezi analogovým a digitálním osciloskopem
Jen málo elektroinženýrů stále používá analogové osciloskopy (obvykle kvůli zvyku a ceně), ale je třeba si uvědomit, že po desetiletí byly jedinou dostupnou možností. Jejich činnost byla založena (zjednodušeně řečeno) na zpracování a zesílení elektrických signálů tak, aby pomocí elektromagnetů ohýbaly elektronový paprsek namířený na obrazovku. Změny proudů v cívkách elektromagnetu (cyklické pro vodorovnou osu a závislé na vstupním napětí pro svislou osu) způsobily pohyb bodu, kde elektrony dopadly na povrch katodové trubice. Úpravou frekvence, s níž se měnila vodorovná souřadnice bodu, na frekvenci signálu, bylo možné na obrazovce získat přehledný graf změn napětí za dané časové období. V případě digitálních osciloskopů, jak již název napovídá, se měření provádějí pomocí analogově-digitálních převodníků a získaná data se ukládají do paměti a prezentují na obrazovce nikoli přímo, ale prostřednictvím softwaru.
Výhody a funkce digitálních osciloskopů
Protože digitální osciloskopy ukládají výsledky měření jako data, můžeme je zpracovávat softwarově a pomocí logických obvodů. To umožňuje vytvářet zařízení se širokým rozsahem měření a podrobnou analýzu získaných hodnot. Takový výzkum se provádí pomocí několika funkcí:
Záznam a zobrazení napěťového diagramu
Na rozdíl od analogových přístrojů mohou digitální osciloskopy vykreslovat i jednotlivé impulsy, protože měřený signál nemusí být periodický. Nicméně je také možné sledovat hodnoty napětí v reálném čase, přičemž software automaticky poskytne extrémní hodnoty a upraví vzorkovací periodu. Je také možné zvětšit části grafu a upravit jeho měřítko pro každý kanál zvlášť.
Funkce měření a analýzy
Základní funkce digitálních osciloskopů umožňují provádět měření napětí a frekvence, ale i matematické operace s vybranými hodnotami a křivkami, což umožňuje ověřování fází, hodinových signálů nebo PWM. Často se v zařízeních můžeme setkat i s funkcí FFT (Fast Fourier Transform), která umožňuje osciloskopu fungovat jako spektrální analyzátor (takže mimo jiné může identifikovat rušení, šum a další signály v širokém frekvenčním spektru).
Spouštěcí schopnosti
Digitální osciloskopy poskytují uživateli širokou škálu možností, pokud jde o nastavení spouštění, tedy určení podmínek, za kterých bude měření zahájeno. Nastavení v tomto případě zahrnuje překročení přednastavené úrovně, pulz, detekci klesající nebo náběžné hrany, a dokonce i zakřivení. Zařízení jsou rovněž vybavena kontrolou „čekací“ doby nebo doby „nečinnosti“, což je funkce Holdoff Control. Díky této konstrukci lze osciloskop použít k pozorování specifických fragmentů průběhu, anomálií, a dokonce i ke sledování sériových komunikačních linek.
Konektivita a přenos dat
K agregaci a analýze velkého množství dat se nejčastěji používá specializovaný počítačový software. Aby bylo možné importovat data z osciloskopu, jsou tato zařízení vybavena standardními komunikačními rozhraními (USB, Ethernet, někdy i Wi-Fi). To umožňuje nejen získávat informace, ale také sledovat měření v reálném čase, a dokonce i dálkově ovládat osciloskop. Tyto druhy zařízení jsou zvláště užitečné v podmínkách laboratorního testování a ve fázi prototypování – zejména pokud je provádějí týmy inženýrů, u nichž sdílení výsledků práce patří k nejdůležitějším aspektům práce.
Sondy a příslušenství
Dalším rozšířením aplikací osciloskopů jsou specializované sondy, které umožňují zkoumat různé veličiny, provoz zdrojů energie a signálů. Patří mezi ně sondy: pasivní (typické), vybavené přepínačem činitele útlumu (tedy s děličem napětí pro omezení citlivosti na šum), proudové (pro záznam změn proudu), diferenciální (používají se především k měření vysokých hodnot napětí v elektrických vedeních) a aktivní (které mohou nabízet další funkce nebo rozšířený rozsah testovaných frekvencí).
Softwarové rozhraní
Obrovskou výhodou digitálních osciloskopů je jejich bohaté rozhraní, které nejen rozšiřuje možnosti zařízení, ale také usnadňuje jejich používání. Za prvé, obrazovka s poměrně vysokým rozlišením umožňuje zobrazení podrobných informací, ale také „nápovědy" a vysvětlení jednotlivých funkcí. Za druhé, díky použití dotykových matic je ovládání osciloskopu téměř intuitivní. Za třetí, uživatel může přizpůsobit provoz zařízení svým potřebám, např. uložením nastavení pro často opakovaná měření. Nakonec je třeba také poznamenat, že výrobci často nabízejí softwarové záplaty pro své osciloskopy, které zlepšují jejich funkčnost a přesnost – samostatné balíčky firmwaru jsou někdy k dispozici za příplatek a nabízejí výrazné rozšíření možností zařízení.
Další funkce
Moderní osciloskopy jsou laboratorní přístroje, jejichž možnosti dalece přesahují pouhé měření. Často mají vestavěné generátory funkcí s různými průběhy, mohou dekódovat signály komunikačních protokolů a mohou dokonce sloužit i jako logické analyzátory (zaznamenávají stav několika linek po relativně dlouhé časové období). Tyto funkce jsou užitečné zejména při práci s digitální elektronikou.
Použití digitálních osciloskopů
Výše uvedené funkce umožňují použití osciloskopů v mnoha oblastech – staly se také cenově dostupnějšími zařízeními. Navíc i základní modely se vyznačují vysokými provozními frekvencemi, dobrým rozlišením a přesností. Tím se rozšířila nejen oblast použití osciloskopů, ale také okruh jejich uživatelů.
Testování a servis elektronických obvodů
Oblastí, ve které jsou osciloskopy nepostradatelným vybavením, je konstrukce a opravy elektronických zařízení. V této oblasti je nejdůležitější získat správné hodnoty napětí, proudu a frekvence, jež byly stanovené v projektu. Osciloskop umožňuje detekovat odchylky od správných provozních parametrů, identifikovat poruchy nebo chybné předpoklady stanovené ve fázi návrhu.
Analýza signálů v telekomunikacích
Komunikační a telekomunikační normy striktně definují přípustné provozní specifikace zařízení a komponent. V případě rušení nebo dokonce chyb umožňuje osciloskop odhalit příčiny tohoto stavu – lokalizace zdroje rušení, měření časů, v nichž jsou signály přenášeny, správné hodnoty napětí mezi linkami atd.
Kvalita napájecího zdroje
Další důležitou oblastí použití digitálních osciloskopů je testování zdrojů napájení a kvality elektrické energie. Jedná se o typické činnosti prováděné v rámci údržby a kontroly průmyslových zařízení, zejména strojových parků, kde jsou provozovány automatizované systémy. Osciloskopy se zde používají k ověření napětí přítomných v napájecích vedeních nebo na výstupech střídačů, jakož i proudů přiváděných do jednotlivých komponent – pro zajištění optimálního provozu systému a bezpečnosti obsluhy stroje.
Vývoj a výzkum
Vzhledem k tomu, že digitální osciloskopy se vyznačují nejen multifunkčností, ale také vysokou citlivostí, jsou často používány v laboratorním výzkumu – ve vývojových centrech a na univerzitách. Používají se samozřejmě v oborech fyziky, elektrotechniky, radiotechniky, ale také v chemii, astronomii nebo medicíně – prakticky ve všech oborech, v nichž elektronické přístroje sehrávají stále důležitější roli.
Vzdělávání
Nakonec je třeba zdůraznit, že osciloskopy jsou vynikajícím vzdělávacím nástrojem. Umožňují žákům a studentům experimentálně zkoumat a „vidět“ průběh elektrického proudu, který se obtížně znázorňuje a často se vyučuje čistě teoreticky – což se ne vždy promítne do uspokojivých výsledků.
Sklad:
