Oscyloskopy cyfrowe
(459)Trudno wyobrazić sobie elektronika, który nigdy nie zetknął się z oscyloskopem. Są to wielofunkcyjne i precyzyjne przyrządy pomiarowe, obecnie występujące niemal wyłącznie w wersjach cyfrowych. W ostatnich dekadach na rynku pojawiło się wiele przystępnych cenowo modeli (często przeznaczonych do użytku przez hobbystów, amatorów i uczniów). Mając na względzie, że oferta TME jest skierowana nie tylko do doświadczonych profesjonalistów, poniżej przedstawiamy ogólną charakterystykę oscyloskopów cyfrowych, z wyszczególnieniem ich najważniejszych funkcji i obszarów zastosowań.
Kto używa oscyloskopów?
Oscyloskopy należą do najważniejszych przyrządów pomiarowych, więc odpowiedź na tak zadane pytanie musiałaby brzmieć: wszyscy zajmujący się elektroniką. Oscyloskop pozwala zobaczyć zmiany napięcia w czasie, co pozwala analizować działanie obwodów elektrycznych i elektronicznych (np. zasilaczy i przetwornic), weryfikować pracę prototypów, prowadzić badania, a także nauczać na temat elementarnych praw fizyki. Na polu radiotechniki, której zastosowania poszerzają się wraz z rozwojem bezprzewodowych metod komunikacji, praca bez oscyloskopu jest praktycznie niemożliwa, gdyż dzięki niemu uzyskuje się właściwe parametry pracy nadajników i odbiorników. W przypadku elektroniki cyfrowej oscyloskopy znajdują mniej zastosowań, głównie stosuje się je do wykrywania zakłóceń, badania sygnałów PWM i pracy przetworników A/C i C/A, ale też należy podkreślić, że podstawowe funkcjonalności oscyloskopów stale ulegają rozszerzeniu, przez co okazują się przydatne również na polu analizy protokołów komunikacyjnych itp.
Różnica między oscyloskopem analogowym a cyfrowym
Niewielu elektroników nadal posługuje się oscyloskopami analogowymi (zwykle ze względu na przyzwyczajenie i koszty), ale należy pamiętać, że przez dziesięciolecia były jedyną dostępną opcją. Ich działanie opierało się (w dużym uproszczeniu) na przetwarzaniu i wzmacnianiu sygnałów elektrycznych tak, by za pomocą elektromagnesów zakrzywiały wiązkę elektronów wymierzoną w ekran. Zmiany prądów w cewkach elektromagnesów (cykliczne dla osi poziomej i uzależnione od napięcia wejściowego dla osi pionowej) powodowały ruch punktu, gdzie elektrony padały na powierzchnię kineskopu. Dostosowując częstotliwość, z jaką zmieniała się pozioma współrzędna punktu, do częstotliwości sygnału, na ekranie można było uzyskać czytelny wykres zmian napięcia w danym okresie czasu. W przypadku oscyloskopów cyfrowych, jak sama nazwa wskazuje, pomiary dokonywany są za pomocą przetworników analogowo-cyfrowych, a pozyskane dane zostają zapisane w pamięci i przedstawione na ekranie nie bezpośrednio, ale za pośrednictwem oprogramowania.
Zalety i funkcje oscyloskopów cyfrowych
Skoro w oscyloskopach cyfrowych wyniki pomiarów są przechowywane jako dane, możemy je poddawać obróbce programowej oraz za pomocą układów logicznych. Pozwala to na tworzenie urządzeń o szerokim zakresie pomiarowym oraz szczegółową analizę pozyskanych wartości. Takie badania realizuje się za pomocą kilku funkcjonalności:
Zapis wykresu napięć i jego wyświetlanie
W przeciwieństwie do urządzeń analogowych, oscyloskopy cyfrowe mogą przedstawić wykres nawet pojedynczego impulsu, ponieważ mierzony sygnał nie musi być okresowy. Tym niemniej, możliwe jest także śledzenie wartości napięcia w czasie rzeczywistym, podczas gdy oprogramowanie automatycznie będzie podawało ekstrema oraz dopasowywało okres próbkowania. Możliwe jest także powiększanie fragmentów wykresu i dostosowywanie jego skali osobno dla każdego z kanałów.
Funkcje pomiaru i analizy
Podstawowe funkcje oscyloskopów cyfrowych umożliwiają wykonywanie pomiarów napięcia i częstotliwości, a także działań matematycznych na wybranych wartościach i krzywych, co pozwala na weryfikację faz, sygnałów zegarowych czy PWM. Często w urządzeniach spotyka się także funkcję FFT (Fast Fourier Transform), która pozwala oscyloskopowi pełnić rolę analizatora widma (dzięki czemu można m.in. identyfikować zakłócenia, szumy i inne sygnały w szerokim spektrum częstotliwości).
Możliwości w zakresie wyzwalania
Oscyloskopy cyfrowe dają użytkownikowi szerokie możliwości w zakresie nastawy wyzwalania, czyli określenia warunków, po których spełnieniu zostanie rozpoczęty pomiar. Do nastaw w tym zakresie należy przekroczenie zadanego poziomu, impuls, wykrycie zbocza opadającego lub rosnącego, a nawet krzywizna. Urządzenia wyposaża się także w kontrolę okresu „przeczekania” lub „martwego”, czyli funkcję Holdoff Control. Dzięki takiej budowie oscyloskop może służyć do obserwacji konkretnych fragmentów przebiegu, anomalii, a nawet monitorowania linii komunikacji szeregowej.
Łączność i transmisja danych
W celu agregowania i analizy dużych ilości danych najczęściej używa się specjalistycznego oprogramowania komputerowego. Aby umożliwić import danych z oscyloskopu, takie urządzenia wyposaża się w standardowe interfejsy łączności (USB, Ethernet, czasem nawet WiFi). Pozwala to nie tylko pobierać informacje, ale również obserwować pomiary w czasie rzeczywistym, a nawet zdalnie sterować oscyloskopem. Tego rodzaju udogodnienia są szczególnie przydatne w warunkach badań laboratoryjnych i na etapie prototypowania – zwłaszcza, jeżeli są wykonywane przez zespoły inżynierów, w których przypadku do najważniejszych aspektów pracy należy dzielenie się wynikami pracy.
Sondy i akcesoria
Dodatkowym rozszerzeniem zastosowań oscyloskopów są wyspecjalizowane sondy pozwalające badać różne wielkości, pracę źródeł energii i sygnałów. Należą do nich sondy: pasywne (typowe), wyposażone w przełącznik współczynnika tłumienia (czyli z dzielnikiem napięcia ograniczającym czułość na szumy), prądowe (do rejestracji zmian natężenia), różnicowe (używane przede wszystkim do pomiaru wysokich wartości napięcia w liniach energetycznych) oraz aktywne (które mogą oferować dodatkowe funkcjonalności lub poszerzony zakres badanych częstotliwości).
Interfejs oparty na oprogramowaniu
Olbrzymią zaletą oscyloskopów cyfrowych jest ich bogaty interfejs, który nie tylko poszerza możliwości urządzeń, ale również ułatwia ich użytkowanie. Po pierwsze, ekran o stosunkowo dużej rozdzielczości pozwala wyświetlać szczegółowe informacje, a także „podpowiedzi” i wyjaśnienia poszczególnych funkcji. Po drugie, zastosowanie matryc dotykowych sprawia, że obsługa oscyloskopu staje się niemal intuicyjna. Po trzecie, użytkownik może dostosować działanie urządzenia do swoich potrzeb, np. zapisując nastawy w celu wykonywania często powtarzanych pomiarów. Ostatecznie trzeba też podkreślić, że producenci często oferują poprawki do oprogramowania swoich oscyloskopów, polepszając ich funkcjonalność i dokładność – osobne pakiety firmware czasem są dostępne za dodatkową opłatą i oferują znaczące poszerzenie możliwości urządzeń.
Dodatkowe funkcje
Nowoczesne oscyloskopy są oprzyrządowaniem laboratoryjnym, którego możliwości wykraczają daleko poza sam pomiar. Często posiadają wbudowane generatory funkcji o różnych przebiegach, mogą dekodować sygnały protokołów komunikacyjnych, a nawet służyć jako analizatory logiczne (rejestrując stan kilku linii w stosunkowo długim okresie czasu). Funkcje te są szczególnie przydatne przy pracy z elektroniką cyfrową.
Wykorzystanie oscyloskopów cyfrowych
Powyższe funkcje pozwalają używać oscyloskopów w wielu dziedzinach – stały się też urządzeniami przystępniejszymi cenowo. Co więcej, nawet podstawowe modele odznaczają się wysoką częstotliwością pracy, dobrą rozdzielczością i dokładnością. Dzięki temu nie tylko poszerzył się obszar zastosowań oscyloskopów, ale również grono ich użytkowników.
Testowanie i serwisowanie obwodów elektronicznych
Dziedziną, w której oscyloskopy są nieodzownym elementem wyposażenia, jest projektowanie i naprawa urządzeń elektronicznych. W tym obszarze najistotniejsze jest uzyskanie właściwych , przewidzianych w projekcie wartości napięcia, prądu i częstotliwości. Oscyloskop pozwala wykryć odstępstwa od prawidłowych parametrów pracy, zidentyfikować usterki, bądź błędne założenia poczynione na etapie projektowania.
Analiza sygnałów w telekomunikacji
Standardy komunikacyjne i telekomunikacyjne ściśle określają dopuszczalną specyfikację pracy urządzeń i podzespołów. W razie wystąpienia zakłóceń lub nawet błędów, oscyloskop umożliwia wykrycie przyczyn takiego stanu rzeczy – lokalizację źródła zakłóceń, zmierzenie czasów, z jakimi nadawane są sygnały, właściwe wartości napięć między liniami, itd.
Jakość źródła zasilania
Kolejnym istotnym polem aplikacji dla oscyloskopów cyfrowych są badania źródeł zasilania i jakości energii. Są to typowe czynności wykonywane w ramach konserwacji i inspekcji zakładów przemysłowych, a zwłaszcza parków maszynowych, gdzie działają automatyzowane systemy. Tutaj oscyloskopy wykorzystuje się do weryfikacji napięć obecnych w liniach zasilających czy na wyjściach falowników, jak również prądów dostarczanych do poszczególnych komponentów – aby zapewnić optymalną pracę systemu i bezpieczeństwo operatorów maszyn.
Rozwój i badania
Ponieważ oscyloskopy cyfrowe odznaczają się nie tylko wielofunkcyjnością, ale i wysoką czułością, są powszechnie wykorzystywane w badaniach laboratoryjnych – w centrach rozwojowych i na uniwersytetach. Stosuje się je oczywiście w dziedzinach fizyki, elektrotechniki, radiotechniki, ale również chemii, astronomii czy medycyny – praktycznie każdej dyscyplinie, w której coraz większą rolę odgrywa aparatura elektroniczna.
Edukacja
Ostatecznie trzeba podkreślić, że oscyloskopy stanowią znakomite narzędzie edukacyjne. Dzięki niemu uczniowie i studenci mogą eksperymentalnie zbadać i „zobaczyć” przebieg prądu elektrycznego, który jest trudny do zilustrowania i często uczony za pomocą czystej teorii – co nie zawsze przekłada się na satysfakcjonujące efekty.
Magazyn:
