Vedeli by ste si vybrať ... ?

ČÍSLICOVÝ OSCILOSKOP   doc. Ing. Peter Kukuča, CSc., MIEE  
     Osciloskop patrí k najbežnejším elektronickým meracím prístrojom. V poslednej dobe sa stále častejšie používajú číslicové osciloskopy, ktoré majú voči analógovým rad predností. Ich zložitosť a spôsob činnosti však vyžaduje detailnejšie poznať funkciu jednotlivých blokov a význam ich parametrov, aby výsledky merania s číslicovým osciloskopom neboli dokonca horšie než s jeho analógovým predchodcom.
 

1. Frekvenčný rozsah

     Dôležitým parametrom číslicového osciloskopu je podobne ako pri analógovom frekvenčný rozsah. Význam tohoto parametra je však trocha odlišný. Charakterizuje len frekvenčné vlastnosti vstupných obvodov po analógovo-číslicový prevodník (AČP) osciloskopu. Pri hraničnej frekvencii je vstupný harmonický (sinusový) signál na vstupe AČP zoslabený takmer o 3 dB, t.j. približne o 30 %. Ľubovoľný signál privedený na vstup osciloskopu je ovplyvnený (skreslený) podľa frekvenčného rozsahu osciloskopu rovnako ako v prípade analógového osciloskopu (pozri predchádzajúci článok).
     V číslicovom osciloskope sú však frekvenčné vlastnosti určované aj parametrami AČP. Rýchlosť AČP sa vyjadruje v miliónoch prevodov za sekundu (megasamples/second - MS/s). Staršie, prípadne lacnejšie osciloskopy mávajú rýchlosť AČP podstatne nižšiu než je ich frekvenčný rozsah. Vzorkovacia teoréma hovorí: „Na rekonštrukciu ľubovoľného signálu s hraničnou frekvenciou f_hr treba tento signál vzorkovať s frekvenciou väčšou než 2.f_hr." Z toho ale vyplýva, že osciloskop s podstatne nižšou rýchlosťou AČP než je jeho frekvenčný rozsah dokáže bez skreslenia zobraziť len signály s frekvenciou menšou než je polovica rýchlosti AČP.
     Tento nedostatok číslicových osciloskopov bol čiastočne odstránený použitím vzorkovania v ekvivalentnom čase. Tento spôsob vzorkovania signálu v číslicovom osciloskope je podobný spôsobu činnosti analógového vzorkovacieho osciloskopu. Jeho podrobný opis presahuje rámec tohoto článku. Dôležité je len vedieť, že vzorky sa postupne odoberajú z viacerých realizácií (periód) toho istého signálu. To znamená, že vzorkovanie v ekvivalentnom čase je možné len pri periodických signáloch. Vzorkovanie v ekvivalentnom čase umožňuje použiť osciloskop so širokým frekvenčným rozsahom a pomalým AČP na meranie rýchlych periodických signálov. Jednorazové deje musia byť vždy vzorkované v reálnom čase a teda rýchlosť AČP je pri nich vždy obmedzujúcim faktorom.
     Na lepšiu ilustráciu uvedeného slúži nasledujúca tabuľka, v ktorej sú charakteristické prípady parametrov číslicového osciloskopu a možnosti ich využitia. Vidno, že kým pre periodické signály sú frekvenčné vlastnosti dané frekvenčným rozsahom podobne ako pri analógovom osciloskope, sledovanie jednorazových dejov je obmedzené najmä rýchlosťou AČP. Ľubovoľný signál privedený na vstup prechádza vstupnými obvodmi osciloskopu, a preto je ovplyvnený jeho frekvenčným rozsahom. Ak je rýchlosť AČP vyššia než frekvenčný rozsah osciloskopu, neznamená to zväčšenie frekvenčného rozsahu pre jednorazové (ani periodické) deje, ale len väčšiu hustotu bodov na obrazovke, čo zlepšuje zobrazenie priebehov bez interpolácie (pozri ďalej).
 
Tabuľka 1

Frekvenčný rozsah osciloskopu (MHz)	Rýchlosť AČP(MS/s)	Frekvenčný rozsah pre periodické signály 1	Frekvenčný rozsah pre jednorazové signály
100	20	100	102
100	100	100	503
100	200	100	1001
100	500	100	1001

¹ - pre pokles o 3 dB (30 %)
² - pokles je menší než 1 %
³ - pokles je cca 10 %
 

2. Zobrazenie priebehov

     Základný spôsob zobrazenia navzorkovaného priebehu je bodový, pri ktorom je obraz tvorený jednotlivými bodmi priebehu v okamihoch vzorkovania. Bodové zobrazenie vyžaduje aspoň 20 až 25 vzoriek na periódu, čo je podstatne viac než požiadavka vzorkovacej teorémy. Pri menšom počte vzoriek na periódu dochádza k optickému klamu (perceptual aliasing), pri ktorom vidíme nesprávny obraz. Príčinou je, že naše oko má snahu spájať body, ktoré sú k sebe najbližšie a nie tie, ktoré nasledujú časovo za sebou.
     Najjednoduchším riešením tohoto očného klamu je spojenie navzorkovaných bodov priamkovými úsekmi - lineárna interpolácia. Na zobrazenie rozoznateľnej sínusovky stačí asi 10 priamkových úsekov na periódu.
     Dokonalejšia je metóda sínusovej interpolácie, pri ktorej je každý bod navzorkovaného priebehu preložený funkciou sin(t)/t. Na zobrazenie sínusovky v tomto prípade stačí 2,5 vzorky na periódu, čo zodpovedá vzorkovacej teoréme. Nevýhodou sínusovej interpolácie sú prekmity pri zobrazovaní obdĺžnikových priebehov.
     Na obr. 1 je harmonický priebeh s frekvenciou 1 MHz vzorkovaný rýchlosťou 3 MS/s, 10 MS/s a 25 MS/s pri jednotlivých spôsoboch zobrazenia. Dobrý číslicový osciloskop by mal umožňovať všetky tri spôsoby zobrazenia priebehov tak, aby si užívateľ mohol vybrať najvhodnejší z nich podľa aktuálnych požiadaviek.
 

3. Spôsob zberu údajov

     Najjednoduchším a najrýchlejším spôsobom zberu údajov je jednoduché vzorkovanie - režim sample. Pri ňom sa zosníma a zobrazí jedna realizácia pozorovaného priebehu. Režim sample má dva základné nedostatky:

• šum a rušenie v signáli sa zosnímajú a zobrazia v plnej miere,
• pri pomalom behu časovej základne sa „preskočia" krátke impulzy, ktoré môžu byť dôležité pri hľadaní príčin porúch a podobne.

     Potlačenie šumu v užitočnom signáli umožňuje režim average čiže spriemerňovanie. Číslicový osciloskop pri ňom počíta a zobrazuje plávajúci priemer jednotlivých realizácií sledovaného signálu. Parametre spriemerňovania by sa mali dať zvoliť. Podmienkou správnej funkcie tohoto režimu je kvalitná synchronizácia osciloskopu.
  Obr. 1 Zobrazenie bodové, s lineárnou a sínusovou interpoláciou harmonického signálu 1 MHz pre frekvencie vzorkovania 3 MHz, 10 MHz a 25 MHz
 
     Najjednoduchší spôsob zachytenia zmien v opakujúcom sa signáli poskytuje režim envelope (obálka), pri ktorom sa predchádzajúce navzorkované priebehy nemažú, ale zostávajú zobrazené. Výsledkom je zachytenie pásma, v ktorom sa sledovaný signál pohyboval vrátane prípadných jednorazových alebo občasných zákmitov, výpadkov a podobne. Tento režim vyžaduje veľmi kvalitnú synchronizáciu a je schopný spoľahlivo zachytiť len udalosti dlhšie než perióda vzorkovania zodpovedajúca zvolenej rýchlosti časovej základne.
     Na prvý pohľad veľmi podobné, ale kvalitatívne podstatne odlišné sú režimy peak detect (zachytenie špičiek). Pri číslicovej realizácii tohoto režimu sa vstupný signál vzorkuje vždy s maximálnou frekvenciou AČP a zapamätáva a zobrazuje sa minimálna a maximálna hodnota v intervaloch zodpovedajúcich nastavenej rýchlosti časovej základne. Pri analógovej verzii sa špičky (maximá a minimá) zachytávajú analógovými obvodmi a AČP prevádza len tieto dvojice hodnôt v pravidelných intervaloch. Takto dokáže číslicový osciloskop zachytiť aj veľmi krátke udalosti pri jedinom(!) pomalom behu časovej základne.
     Upozornenie: Rôzni výrobcovia číslicových osciloskopov môžu pre uvedené režimy používať rôzne názvy !
 

4. Synchronizácia

     Synchronizačné obvody číslicového osciloskopu sú v podstate rovnaké ako pri analógovom osciloskope, poskytujú však rôzne užitočné doplnky. Funkcia pretrigger umožňuje zobrazovať sledovaný priebeh aj pred okamihom synchronizácie. Vhodné je, ak polohu okamihu synchronizácie v rámci zosnímaného priebehu možno plynule voliť.
     Pri hľadaní porúch alebo inak zaujímavých situácií v číslicových systémoch je výhodná možnosť voľby logických funkcií synchronizácie - nastavenie kombinácie stavov na jednotlivých vstupoch osciloskopu zviazaných niektorou logickou funkciou (AND, OR, NOT, ...), ktorá vyrobí synchronizačný impulz.
     Impulzné funkcie synchronizácie umožňujú nastaviť detailnejšie podmienky na vytvorenie synchronizačného signálu - minimálnu dĺžku impulzu, prekročenie jednej úrovne napätia, ale zároveň neprekročenie inej úrovne a podobne.
 

5. Dĺžka záznamu a „nezáznamu"

     Výsledok merania zobrazuje číslicový osciloskop s rozlíšením rádovo stoviek bodov na časovej osi. Dĺžka záznamu (veľkosť pamäti osciloskopu) však môže byť podstatne väčšia. To umožňuje detailne nasnímať dlhý úsek signálu a potom zmenou časovej a napäťovej mierky (Zoom - Lupa) a posunom obrazu v horizontálnom a vertikálnom smere dosiahnuť buď hrubé zobrazenie dlhšieho úseku alebo detailné zobrazenie krátkych impulzov, strmých hrán signálu a podobne. Veľká pamäť osciloskopu má však aj iný význam. Málokto si uvedomuje, že číslicový osciloskop so širokým frekvenčným rozsahom a rýchlym AČ prevodníkom ešte nie je zárukou zachytenia krátkych impulzov, porúch, výpadkov signálu a podobne. Medzi jednotlivými meraniami (behmi časovej základne) sú totiž medzery, ktoré osciloskop potrebuje na spracovanie a zobrazenie nameraných priebehov. Tieto medzery môžu byť podstatne dlhšie ako samotné meranie, a teda číslicový osciloskop vlastne väčšinu času nemeria, hoci na prvý pohľad sa zdá, že pracuje spojite. Ak pozorujeme nemeniace sa signály, uvedená skutočnosť nie je nijako dôležitá. Ak sa však snažíme nájsť občas sa vyskytujúce poruchy, ľahko sa môže stať, že sa nám to nepodarí, lebo sa vyskytnú práve v čase, keď osciloskop nemeral. Pri takýchto diagnostických úlohách je vhodné použiť osciloskop s čo najväčšou dĺžkou záznamu, pretože intervaly keď nemeria sú relatívne krátke. Iná možnosť je použitie číslicového osciloskopu, ktorého konštrukcia je zameraná na minimalizovanie intervalov, v ktorých sa nemeria.
 

6. Spracovanie nameraných signálov

     Moderné číslicové osciloskopy často umožňujú pripojenie k počítaču cez zbernicu GPIB, sériovú linku RS-232 a podobne. Úroveň funkcií, ktoré takéto pripojenie poskytuje však môže byť dosť rozdielna. Niekedy možno len preniesť namerané priebehy do počítača, niektoré osciloskopy možno v menšom alebo väčšom rozsahu aj riadiť. Požiadavky na vlastnosti prepojenia osciloskopu s počítačom závisia od typu úloh, ktoré chceme s takouto zostavou riešiť. Hoci pripojený počítač poskytuje prakticky neobmedzené možnosti spracovania nameraných priebehov, niekedy môže byť výhodnejšie, ak potrebné úkony dokáže samotný číslicový osciloskop, napr. pri nasadení v teréne.
     Možnosti matematického spracovania začínajú pri sčítaní, odčítaní, násobení a delení dvoch nameraných priebehov a končia pri Fourierovej analýze. Veľmi pohodlné pre obsluhu je, ak číslicový osciloskop sám odmeria rôzne charakteristické hodnoty signálov v časovej (perióda, frekvencia, nábežná doba, oneskorenie, ... ) i napäťovej oblasti (maximálna, minimálna, efektívna, stredná hodnota, ...). Pohodlie je však nebezpečné! Odporúčam presvedčiť sa pomocou známych signálov, že automatické merania poskytujú v rôznych podmienkach správne výsledky. Niektoré číslicové osciloskopy umožňujú definovať podmienky automatického merania.
     Pri meraniach v teréne môže byť dôležitá možnosť zapamätať namerané priebehy do polovodičovej pamäti osciloskopu alebo na zabudovaný pružný disk, prípadne vytlačiť ich na priamo pripojiteľnej tlačiarni.
     Pri dlhodobom monitorovaní činnosti rôznych systémov je mimoriadne užitočné, ak je číslicový osciloskop schopný sledovať, či sa jeho vstupný signál pohybuje v zadaných hraniciach (môžu to byť aj krivky) a v prípade ich prekročenia tento priebeh zapamätať alebo ho prostredníctvom modemu dokonca poslať vzdialenej obsluhe.
     Výsledky spracovania nameraných časových priebehov môžu byť len také presné, ako presne číslicový osciloskop previedol analógový vstupný signál na číslicový tvar. Vlastnosti AČP v osciloskope však nebývajú uvedené veľmi detailne a veľmi často sa podstatne menia v závislosti od nastavenia vstupu a časovej základne. Napríklad rozlišovacia schopnosť AČP 10 bitov pre nízke rýchlosti časovej základne osciloskopu sa pri zvyšovaní rýchlosti časovej základne môže postupne znížiť až na 6 bitov. Použitie režimu Hi-Res (High Resolution - veľká rozlišovacia schopnosť) síce pridá nameraným hodnotám ďalšie bity, ale na úkor rýchlosti prevodu. Tento režim je totiž založený na výpočte priemeru viacerých za sebou získaných hodnôt. Ak ani dôkladné preštudovanie dokumentácie osciloskopu nedá odpoveď na otázku presnosti merania v konkrétnych podmienkach, treba konzultovať výrobcu alebo dodávateľa, alebo hľadané parametre určiť meraním.
 

7. Záver

     Číslicové osciloskopy poskytujú donedávna netušené možnosti zachytenia, sledovania a spracovania rôznorodých signálov. Využitie ich vlastností však vyžaduje dobre poznať spôsob a podmienky ich činnosti. Búrlivý rozvoj elektroniky sa prejavuje aj v neustálom vylepšovaní číslicových osciloskopov. Pri výbere vhodného typu osciloskopu treba predovšetkým jednoznačne definovať druh a vlastnosti pozorovaného signálu a účel merania. Istú úlohu hrajú aj osobné skúsenosti a požiadavky obsluhy, napr. na spôsob ovládania (čo najbližšie analógovému osciloskopu), zobrazenia (obrazovka, LCD, farba) alebo rozmery, hmotnosť a cena (!) prístroja.
  Časopis EE, 4, 1998, č. 2, s. 42