Oscyloskop

 

Oscyloskop. Pomiary oscyloskopem. Podstawy.

 

Oscyloskop bez wątpienia jest najbardziej uniwersalnym przyrządem pomiarowym w laboratorium elektronicznym. Umożliwia pomiary napięć stałych i zmiennych, czasu, częstotliwości, fazy przebiegów elektrycznych, a przy użyciu przystawek także wielu innych wielkości elektrycznych i nieelektrycznych. Początkującego elektronika niekiedy przeraża ilość pokręteł i przełączników umieszczonych na płycie czołowej profesjonalnego oscyloskopu. W rzeczywistości wykorzystanie rozbudowanego, profesjonalnego oscyloskopu wcale nie jest trudne, wystarczy poznać podstawowe zasady jego obsługi i budowy. Z drugiej strony posiadanie kosztownego, cyfrowego oscyloskopu o szerokich możliwościach wcale nie gwarantuje sukcesu, ponieważ nieumiejętne dołączenie do obwodu może bardzo zafałszować wyniki pomiaru, lub co gorsza, nawet spowodować nieprawidłowe działanie badanego układu. Doświadczony elektronik potrafi wykonać naprawdę skomplikowane pomiary przy użyciu względnie prostego oscyloskopu, co najwyżej dołączy do badanego układu jakieś obwody pomocnicze. Dlatego każdy, kto ma lub będzie miał do czynienia z praktyczną elektroniką powinien dokładnie rozumieć zasadę działania i kluczowe parametry oscyloskopu. Nie ma natomiast obecnie większego sensu budowa oscyloskopu we własnym zakresie (chyba, że w postaci przystawki do komputera, ale to inny temat). Tak naprawdę, to bez dobrych przyrządów pomiarowych i dużego doświadczenia, nie można zbudować użytecznego oscyloskopu. 

Przed podjęciem decyzji o zakupie oscyloskopu należy dokładnie poznać jego działanie i możliwości. Pomoże w tym niniejszy, kilkuczęściowy cykl artykułów. W pierwszej części przedstawiono niezbędne dla każdego wiadomości o oscyloskopach, ich budowie i funkcjach. W dalszej części omówione będą praktyczne zagadnienia i problemy związane z zakupem i wykorzystaniem oscyloskopu.

 

Lampa oscyloskopowa

 

Główną częścią składową typowego oscyloskopu jest próżniowa lampa elektronowa, której przekrój pokazano w uproszczeniu na rysunku 1. 

Obwód żarzenia podgrzewa do wysokiej temperatury katodę, która emituje elektrony. Między katodą i anodą powstaje pole elektryczne, w którym ujemnie naładowane elektrony emitowane z katody są przyciągane do anody. Czym większe jest napięcie anody, tym silniej przyciągane są elektrony. Na drodze między katodą, a anodą elektrony nabierają prędkości, są skupiane w cienką wiązkę, po czym uderzają w ekran pokryty specjalną substancją zwaną luminoforem. Elektrony uderzając w luminofor tracą swą energię, a energia ta zamienia się na światło, zwykle koloru zielonego. Między katodą, a główną anodą umieszczone są dodatkowe elektrody, między innymi siatka, która umożliwiają regulację ilości elektronów biegnących do anody. Ewentualne dodatkowe anody tworzą tak zwane soczewki elektronowe, umożliwiające takie ukierunkowanie strumienia elektronów, inaczej mówiąc ich zogniskowanie, że trafiają one w jedno miejsce ekranu, tworząć świecący punkt (plamkę) o średnicy poniżej 1 milimetra. Na drodze elektronów między katodą a ekranem, umieszczone są kolejne elektrody o kluczowym znaczeniu. Są to dwie pary metalowych płytek. Jeśli między dwie płytki zostanie dołączone napięcie (stałe), to między płytkami powstanie pole elektryczne. Pole to oddziałuje na elektrony przechodzące między płytkami i w konsekwencji strumień elektronów jest odchylany w stronę płytki dodatniej. W lampie oscyloskopowej dwie pary takich płytek, zwanych płytkami odchylającymi, są umieszczone wzajemnie prostopadle. Podsumujmy: w lampie oscyloskopowej możemy za pomocą napięć doprowadzonego do siatek i anod regulować ilość elektronów docierających do ekranu, czyli jasność plamki na ekranie oraz uzyskać dobre zogniskowanie, czyli małą, ostrą, nierozmytą plamkę. Normalnie plamka pojawia się na środku ekranu. Jeśli jednak doprowadzimy do płytek odchylających napięcie o odpowiednim kierunku i wartości, to plamkę można przesunąć w dowolny punkt ekranu. Każdy oscyloskop posiada pokrętła do regulacji jasności i ostrości, przesuwu obrazu w pionie i poziomie, a niektóre dodatkowo pokrętło podświetlenia skali i pokrętło umożliwiające rotację obrazu, czyli ustawienie linii na ekranie równolegle do linii skali. Starsze przyrządy miały też pokrętło umożliwiające korekcję astygmatyzmu, czyli uzyskanie ostrego obrazu na całym ekranie.

 

Wzmacniacz odchylania poziomego

 

Przejdźmy teraz do rysunku 2. Pokazano na nim w uproszczeniu, jak napięcie między płytkami pozwala przesuwać plamkę na ekranie. W tym miejscu powiedzmy, że płytki pozwalające odchylać plamkę w pionie (w górę i w dół) nazywa się płytkami Y, a płytki pozwalające odchylać plamkę w poziomie płytkami X. Cały tor związany z płytkami odchylania pionowego nazywa się torem Y. W literaturze angielskojęzycznej kanał odchylania pionowego nazywany jest vertical channel, od vertical pionowy (analogicznie: horizontal poziomy). 

Jeśli doprowadzimy napięcie stałe między płytki Y, plamka odchyli się od położenia spoczynkowego (na środku ekranu) pionowo o pewną odległość. Kierunek i wielkość odchylenia daje informację o biegunowości i wartości doprowadzonego do płytek napięcia. Wystarczy nanieść na ekran odpowiednią podziałkę, a otrzymamy woltomierz, którego “wskazówką” jest plamka świetlna. Dla rozszerzenia zakresu takiego woltomierza należy dodać wzmacniacz lub tłumik o skokowo regulowanym wzmocnieniu. Taki wzmacniacz można znaleźć w każdym oscyloskopie. Wejściem tego wzmacniacza jest typowe gniazdo typu BNC, a wzmocnienie reguluje się skokowo pokrętłem. Wszystkie oscyloskopy (z wyjątkiem przeznaczonych do pracy przy częstotliwościach rzędu setek i tysięcy MHz) mają oporność wejściową równą 1MW , co oznacza iż tylko w niewielkim stopniu obciążają badany układ. W praktyce na wejściu Y oscyloskopu stosuje się sondy, zwiększające tę rezystancję do 10MW . Wspomniany przełącznik obrotowy oznaczony jest w oscyloskopach z angielskimi napisami na płycie czołowej VOLTS/DIV (woltów na działkę), natomiast w oscyloskopach radzieckich usilenie wolt/dielenie. Poszczególne pozycje tego pokrętła skalowane są w woltach na centymetr lub częściej w woltach na działkę (działka to jednostka długości na ekranie; zwykle ekran podzielony jest na 10 działek w poziomie i 8 działek w pionie, często 1 działka = 1cm). Aby określić wartość mierzonego napięcia, wystarczy pomnożyć odchylenie plamki (wyrażone w centymetrach lub w działkach) przez współczynnik odchylania nastawiony pokrętłem. W typowych oscyloskopach spotyka się współczynniki odchylania w zakresie od 5mV/działkę (5mV=0,005V) do 5V/działkę, przełączanie odbywa się w sekwencji 5 10 20 50 (mV/działkę) 0,1 0,2 0,5 1 2 5 (V/działkę). Pokrętło skokowej regulacji wzmocnienia jest więc najważniejszym organem regulacyjnym w torze Y. Ale przy niektórych pomiarach, na przykład przy pomiarach pasma przenoszenia wzmacniaczy najlepiej jest ustawić taką wielkość obrazu, aby wypełniał on cały ekran. Wtedy przydatna jest płynna regulacja wzmocnienia. Wszystkie lepsze oscyloskopy mają pokrętło płynnej regulacji wzmocnienia, a nominalne współczynniki odchylania toru Y uzyskuje się w wyraźnie oznaczonej, skrajnej pozycji tego pokrętła. Niektóre oscyloskopy mają także przełącznik (zwykle uruchomiany wyciągnięciem pokrętła płynnej regulacji czułości), który zwiększa czułość pięciokrotnie i jest wykorzystywany przy pomiarach najmniejszych napięć. Ponieważ oscyloskop często służy do pomiaru napięć zmiennych, na wejściu toru Y zawsze znajduje się przełącznik, sprzęgający gniazdo wejściowe ze wzmacniaczem przez kondensator (w pozycji oznaczonej AC lub ~), co eliminuje napięcie stałe z badanego przebiegu; jest to wręcz konieczne przy pomiarze małych napięć zmiennych nałożonych na duże napięcia stałe. W pozycji przełącznika DC lub @ pełny sygnał wejściowy podawany jest na wzmacniacz. W lepszych oscyloskopach przełącznik ten jest trzypozycyjny, w środkowej pozycji, oznaczonej GND lub ^, wejście jest zwarte do masy. Wbrew pozorom, w praktyce jest to bardzo przydatne, ponieważ przy pomiarach napięć często trzeba korygować położenie obrazu na ekranie, ściślej biorąc jego wysokość. Do przesuwu obrazu w pionie służy pokrętło oznaczone strzałkami lub napisem POS.Y.

 

Tor odchylania poziomego

 

W praktyce bardzo rzadko wykorzystuje się oscyloskop w podany przed chwilą prosty sposób, ponieważ pozostawienie na dłuższy czas plamki w jednym miejscu, zwykle na środku ekranu, grozi wypaleniem luminoforu. Owszem, oscyloskop często używany jest do pomiaru napięć stałych, ale aby uniknąć wypalenia luminoforu, do płytek X też powinien zostać doprowadzony jakiś przebieg, który poruszałby plamkę w poziomie. Jaki to powinien być przebieg? Ktoś powie, że może to być jakikolwiek szybki przebieg zmienny, który poruszając szybko plamkę wytworzy na ekranie obraz poziomej linii. W zasadzie jest to wniosek słuszny, ale jeśli już mamy odchylać plamkę w poziomie, to możemy osiągnąć znacznie więcej niż tylko poziomą linię na ekranie, która będzie się odchylać w górę lub w dół pod wpływem mierzonego napięcia stałego. Co uzyskamy na ekranie, jeśli napięcie na płytkach X będzie jednostajnie wzrastać? Plamka będzie poruszać się ruchem jednostajnym w kierunku brzegu ekranu. A jeśli do płytek X doprowadzimy tak zwany przebieg piłokształtny, pokazany na rysunku 3, w którym napięcie pomału i jednostajnie wzrasta, a potem gwałtownie i bardzo szybko maleje do wartości początkowej? 

Przy odpowiednim połączeniu płytek X i właściwym dobraniu napięcia najmniejszego i największego takiego przebiegu piłokształtnego, plamka na ekranie będzie się poruszać z określoną, stałą prędkością z lewej strony ekranu na prawą, a po dojściu do prawej krawędzi bardzo szybko powróci na lewą stronę i cykl będzie się powtarzał. Jeśli w czasie ruchu roboczego plamki (z lewej na prawą stronę ekranu), do płytek Y zostanie doprowadzone jakieś napięcie zmieniające się w czasie, wtedy na ekranie zobaczymy przebieg zmian tego napięcia w funkcji czasu. Jeśli szybkość poruszania się plamki na ekranie, czyli częstotliwość przebiegu piłokształtnego, zostanie tak dobrana aby plamka przebiegała ściśle określoną odległość, na przykład 1 centymetr (lub jedną działkę), w ciągu jednej sekundy, to uzyskamy możliwość pomiaru czasu. Właśnie doszliśmy do podstawowej funkcji oscyloskopu: oscyloskopem możemy mierzyć napięcia i czasy przebiegów zmiennych. Przykład można zobaczyć na rysunku 4. 

Aby był możliwy pomiar czasu, każdy oscyloskop wyposażony jest tak zwany generator podstawy czasu (po angielsku TIME BASE). Generator ten wytwarza przebieg piłokształtny o częstotliwości regulowanej w szerokim zakresie. Dla ułatwienia, częstotliwości generatora są tak dobrane, aby jednej działce na ekranie odpowiadała jednostka czasu. Dlatego też pokrętło skokowej zmiany szybkości plamki w ruchu poziomym opisane jest nie w hercach, tylko w jednostkach czasu na centymetr lub działkę ekranu. Dla zwiększenia dokładności zastosowano współczynniki nie tylko 1s/działkę, 0,1s/działkę, 10ms/działkę, 1ms/działkę, itd, ale podobnie jak przy pomiarze napięcia, zastosowano sekwencję 1 2 5. W przyzwoitych oscyloskopach szybkość podstawy czasu można wybierać pokrętłem w zakresie przynajmniej od 0,2 mikrosekundy/działkę do około 1 sekundy/działkę, w sekwencji 0,2 0,5 1 2 510 20 50(μs/dz) 0,1 0,2 0,5 1 2 5 10 20 50(ms/dz) i dalej 0,1 0,2 0,5 s/działkę. W drogich, profesjonalnych przyrządach zakres ten jest znacznie szerszy. Ale nawet w popularnym oscyloskopie umożliwia to pomiary czasu w bardzo szerokim zakresie, od milionowych części sekundy do pojedynczych sekund. Znając czas, a ściślej okres przebiegów powtarzalnych, można obliczyć ich częstotliwość ze wzoru: f = 1/T gdzie f częstotliwość, a T okres. Dla ułatwienia pomiarów, tor odchylania poziomego wyposażony jest też w pokrętło płynnej regulacji szybkości narastania piły, co bywa przydatne w niektórych pomiarach porównawczych. (Podane wcześniej dokładne współczynniki czasu/działkę uzyskuje się w skrajnej, wyraźnie oznaczonej pozycji tego pokrętła.) Każdy oscyloskop posiada też pokrętło służące do przesuwania obrazu w poziomie, oznaczone poziomymi strzałkami bądź napisem POS. X. Większość oscyloskopów posiada też przełącznik (często uruchomiany wyciągnięciem któregoś pokrętła), zwiększający pięcio lub rzadziej dziesięciokrotnie, współczynniki podstawy czasu. Wykorzystuje się to przy obserwacji przebiegów o najwyższych częstotliwościach.

 

Blok synchronizacji

 

Omówiliśmy już podstawowe bloki oscyloskopu: lampę oscyloskopową, wzmacniacz odchylania pionowego (wzmacniacz Y) i generator podstawy czasu. Po krótkim zastanowieniu, każdy wnikliwy Czytelnik zauważy jednak, że czegoś tu jeszcze brakuje: wiadomo, że ekran świeci, gdy pada na niego strumień elektronów, a świecenie szybko zanika przy braku takiego strumienia. Gdy chcemy narysować linię poziomą, zwaną linią podstawy czasu, wystarczy doprowadzić do płytek X przebieg piłokształtny (lub inny) o określonej amplitudzie. Jeśli częstotliwość podstawy czasu będzie większa niż kilkudziesiąt herców, wtedy wskutek bezwładności oka ujrzymy stabilną poziomą linię obrazy rysowane kolejno w tym samym miejscu zleją się w jeden. Ale sprawa się skomplikuje, gdy zechcemy zbadać jakiś szybkozmienny przebieg, doprowadzony do płytek Y. Czy wystarczy jednokrotnie “narysować” obraz tego przebiegu na ekranie? Oczywiście nie! Przy jednokrotnym rysowaniu obraz pojawi się na chwilę, mignie tylko na ekranie i zapewne nie zdążymy ani obejrzeć jego kształtu, ani tym bardziej zmierzyć napięć i czasu. Aby więc uzyskać stabilny obraz na ekranie, badany przebieg należy rysować na ekranie wielokrotnie. Podkreślmy to jeszcze raz: obraz musi być rysowany wielokrotnie. Jest to bardzo ważna sprawa, ale niezbyt trudna do wykonania, bowiem ogromna większość badanych sygnałów ma charakter okresowy, czyli powtarzalny. (Sposobami zapamiętania i badania przebiegów jednorazowych czyli niepowtarzalnych zajmiemy się trochę później.) Uzyskanie nieruchomego obrazu przy wielokrotnym rysowaniu na ekranie wymaga więc zastosowania jakiegoś układu synchronizacji, aby rysowanie obrazu zaczynało się zawsze w takim samym punkcie badanego przebiegu. Bez synchronizacji obraz na ekranie będzie się przesuwał lub co gorsza na ekranie pojawi się wiele wzajemnie przesuniętych jednakowych krzywych. Już na pierwszy rzut oka widać tu dwie możliwości synchronizacji: albo będziemy zmieniać częstotliwość generatora piły (by częstotliwość przebiegu badanego była wielokrotnością częstotliwości podstawy czasu), albo też zastosujemy układ generatora podstawy czasu, w którym będzie możliwe wprowadzenie opóźnienia, jakby czasu oczekiwania, pomiędzy kolejnymi “zębami piły”. Pierwszy sposób synchronizacji, przez zmianę częstotliwości przebiegu piłokształtnego, przedstawiony na rysunku 5a, 

był stosowany dawniej w najprostszych i najtańszych oscyloskopach, na przykład takim, jak pokazano na fotografii 1. 

Obecnie ten sposób synchronizacji zupełnie nie jest wykorzystywany, bowiem płynna zmiana częstotliwości “piły” praktycznie uniemożliwia dokładniejsze pomiary czasu. Owszem, współczesne oscyloskopy mają pokrętło płynnej zmiany współczynnika czasu, ale nie ma to nic wspólnego z synchronizacją, ułatwia tylko niektóre pomiary porównawcze. Powszechnie stosuje się natomiast drugi sposób synchronizacji, polegający na wprowadzeniu określonego opóźnienia między poszczególnymi “zębami piły”. Pokazano to na rysunku 5b. 

W rzeczywistości generator przebiegu piłokształtnego po uruchomieniu (mówiac językiem technicznym po wyzwoleniu), generuje tylko jeden “ząb piły” i czeka na następny sygnał wyzwalający. Jeśli taki sygnał nie nadejdzie, generator nie zostanie wyzwolony. Co to znaczy w praktyce? To, że plamka będzie czekała na wyzwolenie z lewej strony ekranu (w niektórych oscyloskopach widać to wyraźnie, w innych plamka w stanie oczekiwania jest wygaszona). Oczywiście przy braku sygnału wyzwalającego ekranie nie będzie żadnego obrazu. Taki rodzaj pracy spotyka się obecnie praktycznie w każdym oscyloskopie i jest to tak zwana praca wyzwalana. Odpowiednia pozycja przełącznika synchronizacji jest oznaczana z angielska TRIG(gered), w oscyloskopach radzieckich tryb pracy wyzwalanej nazywa się żduszczij. Początkujący elektronicy przy pierwszym kontakcie z nieznanym oscyloskopem często mają kłopoty z uzyskaniem obrazu na ekranie, właśnie dlatego, że ustawiony jest tryb pracy wyzwalanej. Ale w większości przypadków nawet przy braku sygnału na wejściu Y (i przy braku sygnałów wyzwalających) na ekranie widać poziomą linię podstawy czasu. Jesteśmy przyzwyczajeni do takiego właśnie trybu pracy nazywa się on trybem pracy automatycznej (ang. AUTO, ros. ABTO). W tym trybie, jeśli po wygenerowaniu jednego ząbka “piły” w ciągu określonego czasu nie nadejdzie z układu synchronizacji impuls wyzwalający, wtedy specjalny układ opóźniający samoczynnie wyzwoli generator piły. Ten układ opóźniający, a inaczej mówiąc przytrzymujący, zapewnia pojawienie się obrazu (najczęściej poziomej linii) na ekranie także w przypadku braku sygnału wyzwalającego. Wiele oscyloskopów wyposażonych jest w pokrętło regulacji tego czasu opóźnienia, czy powstrzymywania. Jest ono oznaczone HOLD OFF lub zadierżka. Pokrętło to bywa pomocne w uzyskaniu synchronizacji przy badaniu złożonych przebiegów w trybie pracy automatycznej (ale przy takich przebiegach częściej stosuje się tryb wyzwalany). Blokowy schemat omawianych części oscyloskopów pokazany jest na rysunku 6. 

W układzie synchronizacji każdego oscyloskopu można znaleźć pokrętło regulacji poziomu wyzwalania. Pokrętło to opisane jest TRIG. LEVEL lub urowień. Co to właściwie jest ten poziom wyzwalania? Chodzi o ustalenie, w jakim punkcie przebiegu ma się pojawiać impuls wyzwalający. Mówiąc opisowo, pokrętło to decyduje na jakiej wysokości na ekranie znajdować się będzie początek przebiegu zobrazowanego na ekranie ilustruje to rysunek 7, pokazujący wygląd ekranu przy różnych położeniach tego regulatora. 

Zwykle blok synchronizacji wyposażony jest też w przełącznik umożliwiający wybór zbocza przebiegu badanego, które będzie wyzwalać generator piły. Przełącznik ten bywa opisywany POS./NEG, _/ _ lub po prostu +/- . Działanie tego przełącznika obrazuje rysunek 8. 

W badanych układach elektronicznych często występują przebiegi napięcia o bardziej skomplikowanym kształcie, na przykład takie, jak pokazano na rysunku 9, czy takie, jak sygnały wizyjne lub impulsy występujące w nadajnikach kodu RC 5. 

Układ synchronizacji musi wydzielić ze złożonego przebiegu tylko te składniki, które zapewnią stabilny obraz na ekranie. Zwykle chodzi o wydzielenie składowej sygnału o najmniejszej częstotliwości. Najogólniej rzecz biorąc, czym bardziej rozbudowany układ synchronizacji i czym więcej ma przełączników i potencjometrów, tym łatwiej uzyskać synchronizację wspomnianych złożonych przebiegów. Na przykład w oscyloskopach przeznaczonych do różnorodnych badań w laboratoriach spotyka się dodatkowe przełączniki i pokrętła, na przykład umożliwiające wybór rodzaju sprzężenia źródła sygnału wyzwalającego z układem synchronizacji. Może to być sprzężenie zmiennoprądowe (AC), przepuszczajace sygnały zmienne a odcinające składową stałą, sprzężenie stałoprądowe (DC), gdy przepuszczny jest pełny sygnał, sprzężenie przez filtr dolnoprzepustowy (LF), przydatne przy badaniu układów małej częstotliwości, czy wreszcie sprzężenie przez filtr górnoprzepustowy (HF), pomocne przy badaniu sygnałów w.cz. Natomiast w wielu oscyloskopach, przeznaczonych między innymi do serwisu urządzeń wideo, występują pozycje przełącznika oznaczone TV H i TV V. W tych pozycjach w tor synchronizacji włączone są specjalne separatory służące do wydzielenia z sygnału telewizyjnego impulsów synchronizacji linii i ramki. W lepszych oscyloskopach zawsze można spotkać kilkupołożeniowy przełącznik źródła wyzwalania. Okazuje się bowiem, że niekiedy do zsynchronizowania przebiegów sygnał synchronizacji uzyskuje się nie z przebiegu badanego, tylko z innego, większego sygnału, który jest zsynchronizowany z przebiegiem badanym. Wspomniany przełącznik w pozycji INT lub wnutr(iennaja), umożliwia synchronizację sygnałem badanym, czyli synchronizację wewnętrzną. W pozycji EXT lub BNESZN(aja) do układu synchronizacji doprowadzony jest sygnał z zewnątrz przez gniazdo, umieszczone zwykle blisko omawianego przełącz nika. Synchronizację zewnętrzną stosuje się na przykład przy badaniu niewielkich sygnałów występujących na tle znacznych szumów albo w układach cyfrowych, gdy do gniazda synchronizacji zewnętrznej podaje się sygnał o najniższej częstotliwości występującej w układzie. Wreszcie w pozycji oznaczonej LINE lub CETb, przebiegi są synchronizowane napięciem sieci energetycznej 50Hz, co również bywa przydatne w praktyce. Nieprzypadkowo układowi synchronizacji poświęcono tak dużo miejsca: właśnie blok synchronizacji decyduje w dużym stopniu o rzeczywistej wartości oscyloskopu.

 

Prosty oscyloskop

 

Po omówieniu trzech najważniejszych zespołów, można się pokusić o narysowanie schematu blokowego prostego oscyloskopu. Schemat taki przedstawiono na rysunku 10. 

Bardzo niewiele uwagi poświęcono tu sprawie zasilania, i poziomów sygnałów, ale ten temat nie jest dla przeciętnego użytkownika najważniejszy. Ważniejsze jest natomiast, aby poznał on ogólne zasady, i zidentyfikował funkcje poszczególnych regulatorów. Ułatwieniem jest fakt, że pokrętła i przełączniki zawsze są pogrupowane według pełnionych funkcji. Najczęściej na płycie czołowej narysowane są ramki oddzielające poszczególne grupy, co znakomicie ułatwia skorzystanie nawet ze skomplikowanego i bogato wyposażonego w pokrętła i przełączniki oscyloskopu. A teraz pierwsze zadanie dla czytelników. Na fotografiach 2 i 3 pokazano płyty czołowe prostych oscyloskopów. 

Czy każdy Czytelnik potrafi określić rolę wszystkich pokręteł i przełączników? Należy przy tym wziąć pod uwagę, iż bardzo często w oscyloskopach występują regulatory zespolone. Przykładowo na fotografii 3 pokazano, że zewnętrzne pokrętło służy do skokowej regulacji wzmocnienia, natomiast pokrętło wewnętrzne do płynnej regulacji wzmocnienia (przy czym nominalne współczynniki wzmocnienia podane na skali uzyskuje się gdy pokrętło to jest skręcone w prawo do oporu do zatrzasku). Dodatkowo wewnętrzne pokrętło można wyciągnąć lub wcisnąć, co daje możliwość odwrócenia obrazu “do góry nogami” (ale nie na zasadzie pokazanej na rysunku 8) i jest przydatne przy niektórych pomiarach. Tyle w pierwszym odcinku poświęconym oscyloskopom. Za miesiąc omówione zostaną oscyloskopy wielokanałowe, oscyloskopy z podwójną podstawą czasu i nowoczesne oscyloskopy cyfrowe. W dalszej kolejności podane będą praktyczne informacje o najważniejszych parametrach oscyloskopów i wskazówki dotyczące użytkowania tych przyrządów i zasady przeprowadzania pomiarów. 

Poniżej przedstawione zostaną bardziej rozbudowane, profesjonalne oscyloskopy. Nie wszyscy mają dostęp do drogiego, profesjonalnego sprzętu. Jednak za kilka lat dzisiejsi uczniowie i studenci staną się profesjonalistami i już teraz powinni poznać i zrozumieć rozwiązania stosowane w nowoczesnych przyrządach. Podany materiał zainteresuje też bardziej zaawansowanych amatorów, którzy rozważą możliwość zakupu droższego sprzętu. 

 

Oscyloskop dwustrumieniowy i dwukanałowy

 

W elektronicznej praktyce nierzadko zachodzi potrzeba lub wręcz konieczność, by jednocześnie zbadać i obejrzeć na ekranie dwa przebiegi elektryczne. Często chodzi o uchwycenie zależności między napięciami w różnych punktach układu i wtedy oba przebiegi w tym samym czasie muszą pojawić się na ekranie. Wydawałoby się, że jedyną metodą jest umieszczenie w jednej lampie oscyloskopowej dwóch niezależnych systemów z dwoma wyrzutniami elektronów, dwoma parami płytek odchylających, wytwarzających dwa strumienie elektronów, z których każdy rysowałby niezależny obraz. Takie lampy oscyloskopowe istnieją, nie cieszą się jednak zbytnią popularnością. Lampy i zawierające je oscyloskopy nazywa się dwustrumieniowymi. Zaletą takich oscyloskopów jest niezależna praca poszczególnych systemów, co znacznie rozszerza możliwości pomiarowe. W skrajnym przypadku uzyskuje się połączenie dwóch zupełnie niezależnych oscyloskopów w jednej obudowie, przy czym ekran jest wspólny. Podstawową wadą oscyloskopów dwustrumieniowych jest skomplikowana budowa i wysoka cena. Na szczęście istnieje prosty sposób pozwalający zobrazować na zwykłej jednostrumieniowej lampie dwa lub więcej przebiegów. Sposób ten wykorzystuje się w praktycznie wszystkich produkowanych obecnie oscyloskopach. Oscyloskopy takie nazywa się dwukanałowymi (spotyka się też oscyloskopy czterokanałowe). W oscyloskopie dwukanałowym występują dwa niezależne kanały wzmocnienia i szybki przełącznik elektroniczny. Fragment schematu blokowego takiego oscyloskopu pokazano na rysunku 11. 

W każdym dwukanałowym oscyloskopie przełącznik rodzaju pracy pozwala przedstawić na ekranie: przebieg z kanału A przebieg z kanału B sumę (lub różnicę) sygnałów z obu kanałów jednocześnie przebiegi z obu kanałów. Pokazany przełącznik elektroniczny w rzeczywistości jest układem sumującym prądy, dlatego umożliwia sumowanie przebiegów z obu kanałów. Zamiast sumy częściej jednak wykorzystuje się różnicę dwóch przebiegów (na przykład, aby pozbyć się sygnału wspólnego) właśnie do pracy różnicowej potrzebny jest przełącznik odwracający obraz na ekranie “do góry nogami”, umieszczony w jednym z kanałów. Do jednoczesnego uzyskania na ekranie obrazu dwóch przebiegów stosuje się albo tryb pracy przemiennej, albo tryb pracy siekanej. Na płycie czołowej niektórych oscyloskopów znajduje się przełącznik umożliwiający wybór rodzaju pracy, opisany ALT(ernate) kolejny, przemienny i CHOP ang. siekać, rąbać. Rysunek 12 ilustruje zasadę pracy przemiennej. 

W czasie jednego cyklu pracy podstawy czasu rysowany jest przebieg z kanału A, w czasie następnego cyklu z kanału B, i tak dalej. Pracą przełącznika elektronicznego steruje przerzutnik, który z kolei otrzymuje informację z generatora podstawy czasu. Zasada pracy jest, jak widać, bardzo prosta. Ale nasuwa się tu ważne pytanie: jak synchronizowany jest obraz na ekranie? W zależności od sposobu synchronizacji obraz na ekranie będzie inny i może wprowadzić w błąd niedoświadczonego obserwatora. Ilustruje to rysunek 13. 

Na rysunku 13a pokazano, jak będzie wyglądał obraz, gdy podstawa czasu wyzwalana będzie za każdym razem przebiegiem z innego kanału. Natomiast zupełnie inny obraz, prawidłowo obrazujący zależności czasowe (czy też inaczej mówiąc fazowe) powstanie wtedy, jeśli za każdym razem podstawa czasu będzie wyzwalana przebiegiem z tego samego kanału (jak na rysunku 12 i 13b). Ponieważ jest to naprawdę ważna sprawa praktyczna, każdy Czytelnik, który ma do czynienia z oscyloskopem dwukanałowym powinien zastanowić się, czy dokładnie rozumie problem i jak wygląda to w jego oscyloskopie. Najprawdopodobniej trzeba będzie zajrzeć do instrukcji lub przeprowadzić próby, bowiem nie wszystkie oscyloskopy mają przełączniki umożliwiające wybór jako źródła synchronizacji jednego lub przemiennie dwóch kanałów. Zazwyczaj źródłem synchronizacji jest kanał oznaczony liczbą 1 lub literą A. W takiej sytuacji nasuwa się jednak kolejne pytanie: czy w trybie pracy wyzwalanej na ekranie pojawi się obraz, jeśli w tym kanale nie będzie sygnału? Na to pytanie Czytelnik odpowie samodzielnie. Innym trybem stosowanym do jednoczesnego zobrazowania na ekranie dwóch przebiegów jest praca siekana. 

Jak widać z rysunku 14, przebiegi z obydwu kanałów są próbkowane, jakby siekane, i na ekranie podczas jednego przebiegu podstawy czasu rysowane są na przemian kawałeczki jednego i drugiego przebiegu. Jak łatwo się domyślić, w tym trybie nie ma problemu z synchronizacją źródłem sygnału synchronizacji musi być przez cały czas tylko jeden z kanałów. Dlaczego jednak przy pracy siekanej nie widzimy na ekranie fragmentów obu przebiegów, tworzących swego rodzaju grzebień, tylko dwa pełne, czyste przebiegi? Odpowiedź jest prosta przecież obraz na ekranie rysowany jest wielokrotnie, a przebieg siekający nie jest zsynchronizowany z przebiegiem badanym. Częstotliwość sygnału siekającego jest rzędu kilkuset kiloherców, można więc przeprowadzić eksperyment i podać z generatora na wejścia obu kanałów Y (lub tylko jednego) sygnały, na przykład sinusoidalny i prostokątny, o regulowanej częstotliwości (około 100kHz). W pewnym zakresie częstotliwości tego generatora będzie można zobaczyć, że rzeczywiście oba występujące na ekranie przebiegi rysowane są po kawałku. A teraz pytanie kontrolne: czy w oscyloskopie dwukanałowym nie wystarczyłby tylko jeden sposób pracy, przemienny albo siekany? Okazuje się, że nie. Przy częstotliwościach poniżej 50Hz podczas pracy przemiennej występuje silne migotanie obrazu, bo przecież każdy przebieg rysowany jest podczas kolejnego cyklu podstawy czasu. Dlatego przy małych częstotliwościach konieczne jest wykorzystanie trybu siekanego. Natomiast przy badaniu przebiegów o czasach rzędu pojedynczych mikrosekund i krótszych, pracy siekanej stosować nie można, bo okres przebiegu siekającego jest dłuższy niż okres badanych przebiegów. Niektóre oscyloskopy dwukanałowe wyposażone są w przełącznik pozwalający wybrać pracę przemienną lub siekaną, w innych przełączanie trybu pracy odbywa się automatyczne, w zależności od wybranego zakresu podstawy czasu.

 

Linia opóźniająca 

 

Niektóre droższe oscyloskopy wyposażone są w tak zwaną linię opóźniającą. Niektórym Czytelnikom skojarzy się to być może z linią opóźniającą stosowaną w torze chrominancji odbiorników telewizyjnych, wprowadzającą opóźnienie sygnału o 64 mikrosekundy. W oscyloskopie wystarczy linia opóźniającą sygnał badany o ułamek mikrosekundy. Linia taka stosowana jest, aby na ekranie można było oglądać przednie zbocze sygnału. W praktyce często bada się szybkie przebiegi impulsowe. Początek impulsu, czyli jego przednie zbocze, przechodzi przez układ synchronizacji i wyzwala generator podstawy czasu. Na przejście przez układ synchronizacji i start generatora potrzebny jest pewien krótki czas, właśnie rzędu ułamka mikrosekundy. Gdy plamka rysująca obraz na ekranie pojawi się z takim niewielkim opóźnieniem, krótkie przednie zbocze już się zdąży zakończyć i nie może być zobrazowane. Obecność linii opóźniającej sygnał w torze Y gwarantuje, że na ekranie pojawi się także przednie zbocze badanego sygnału. 

Rysunek 15a pokazuje obraz krótkiego impulsu w oscyloskopie bez linii opóźniającej, a rysunek 15b gdy zastosowano taką linię. W praktyce obecność linii opóźniającej przydaje się tylko przy badaniu najszybszych przebiegów. Brak takiej linii nie jest znaczącą wadą oscyloskopu. Niektórych Czytelników może zaciekawi wiadomość, że w niektórych starszych oscyloskopach linię opóźniającą stanowił po prostu kilku, czy kilkunastometrowy odcinek przewodu koncentrycznego, który w postaci kilku zwojów umieszczony był niekiedy z tyłu, na zewnątrz obudowy. 

 

Wyjście kalibratora

 

Większość oscyloskopów wyposażona jest w tak zwane wyjście kalibratora. Na wyjściu tym występuje przebieg prostokątny o częstotliwości około 1kHz i amplitudzie rzędu 1V. Sygnał ten dostępny jest nie na standardowym gnieździe BNC, tylko na nietypowym punkcie umieszczonym zwykle na płycie przedniej. Wbrew pozorom, wyjście to nie służy do kalibracji współczynników odchylania w torze Y lub współczynników czasu w generatorze podstawy czasu (choć w starych oscyloskopach można je było do tego wykorzystywać). Sygnał z tego wyjścia służy do kalibracji charakterystyki częstotliwościowej używanych sond pomiarowych. Więcej informacji na temat sond będzie podane w jednym z następnych odcinków, teraz wystarczy wiedzieć, że prawie zawsze przy pomiarach oscyloskopowych zamiast zwykłych przewodów pomiarowych, stosuje się sondy tłumiące sygnał dziesięciokrotnie. Każdą sondę można dołączać do dowolnego oscyloskopu, ale ponieważ oscyloskopy mają różną pojemność wejściową (od 15 do 40pF), zachodzi konieczność kalibracji sondy, aby uzyskać równomierne pasmo przenoszenia. W praktyce jest to bardzo proste i zajmuje kilka sekund. Ostrze kalibrowanej sondy (tłumiącej w stosunku 1:10), należy dotknąć do wspomnianego wyjścia kalibracji, a następnie wkrętakiem tak ustawić trymer w obudowie sondy, żeby uzyskać przebieg najbardziej zbliżony do prostokątnego. Na rysunku 16 pokazano przebiegi ne ekranie w trakcie kalibracji. Po takim prostym zabiegu sonda jest gotowa do pracy. 

 

Beam find

 

Niektóre oscyloskopy wyposażone są w przycisk oznaczony BEAM FIND. Jak wskazuje nazwa, przycisk jest pomocny wtedy, jeśli nie wiadomo dlaczego obraz “uciekł” z ekranu. Naciśnięcie tego przycisku rozjaśnia i pomniejsza obraz. Można wtedy określić, czy przyczyną jest złe ustawienie pokrętła jasności, przesuwu poziomego lub pionowego, czy też rzeczywiście obraz uciekł w dół lub w górę pod wpływem dużej składowej stałej. Jeśli po naciśnięciu przycisku nie uzyska się żadnego obrazu, lub tylko świecącą kropkę, to nie pracuje generator podstawy czasu, czyli najprawdopodobnie w trybie wyzwalanym źle ustawione są regulatory synchronizacji.

 

Tryb X Y Z

 

Wszystkie lepsze oscyloskopy dwukanałowe (a także niektóre jednokanałowe) mają możliwość pracy w tak zwanym trybie X Y. Dotychczas omówiono typowe wykorzystanie oscyloskopu, gdy w torze X pracował generator podstawy czasu. Ale oscyloskop można wykorzystywać do wielu zadań, między innymi jako wskaźnik, gdy plamka także w osi poziomej jest odchylana przez przebiegi podawane z zewnątrz. Na płycie czołowej przyrządu należy więc szukać pozycji któregoś z przełączników oznaczonej X Y. W tej pozycji generator podstawy czasu jest odłączony i zewnętrzny sygnał podawany jest na wzmacniacz i płytki X. Niektóre oscyloskopy mają specjalne gniazdo wejściowe oznaczone INP X. Ale w oscyloskopach dwukanałowych przy pracy w trybie X Y zwykle jeden z kanałów pełni rolę wzmacniacza Y, drugi wzmacniacza X. Większość Czytelników domyśliła się już, iż to właśnie w trybie X Y uzyskuje się tak zwane krzywe Lissajous opisywane w podręcznikach. Tak, ale nie tylko. Na ekranie oscyloskopu można na przykład wyświetlić tekst lub rysunki. Oczywiście do wytworzenia odpowiednich przebiegów trzeba zastosować komputer, mikroprocesor lub przynajmniej pamięć typu EPROM lub RAM. Bardzo interesującą możliwością jest wykorzystanie oscyloskopu pracującego trybie X Y przy pomiarach z użyciem generatora przestrajanego napięciem wobulatora. Wtedy na wejście X podaje się napięcie (zwykle piłokształtne), sterujące także częstotliwością przestrajanego napięciem generatora, a na wejście Y sygnał wyjścia z badanego urządzenia. Uproszczony schemat blokowy takiego systemu pokazano na rysunku 17. 

Oscyloskop w trybie X Y jest też świetnym wskaźnikiem dla systemów określających charakterystyki napięciowo-prądowe różnych elementów. Piszący te słowa widział nawet oscyloskop w trybie X Y pracujący jako bardzo kiepskiej jakości ekran telewizyjny. Co prawda na taki dziwaczny eksperyment szkoda czasu, bowiem świecąca zielono, typowa lampa oscyloskopowa nie pozwala uzyskać poprawnego obrazu TV, Niemniej jednak elektronik, który poważnie traktuje swą pasję, powinien mieć oscyloskop, mogący pracować w trybie X Y. Ktoś może jeszcze zapyta, dlaczego na ekranie nie widać momentów przejścia plamki między dwoma przebiegami przy pracy siekanej, a także linii podczas szybkiego powrotu plamki z prawej strony ekranu na lewą? Linie te byłyby widoczne na ekranie, gdyby oscyloskop nie posiadał obwodów wygaszania plamki na ten czas. Jak podano w poprzednim odcinku, regulacja jasności, w tym także całkowite wygaszanie plamki, odbywa się przez zmianę napięcia na jednej z elektrod (siatek) lampy oscyloskopowej. W dobrych oscyloskopach oprócz obwodów wygaszania powrotów oraz obwodu płynnej regulacji jasności obrazu, wprowadzono także dodatkowe wejście, oznaczane literą Z, które umożliwia regulacji jasności plamki za pomocą podanego z zewnątrz napięcia. Takie wejście jest bardzo przydatne w przy podanych powyżej, bardziej zaawansowanych sposobach wykorzystania oscyloskopu. Właśnie wtedy wykorzystuje się tory X, Y i Z.

 

OS 9020

 

Na fotografi 4 przedstawiono płytę czołową dwukanałowego oscyloskopu koreańskiej firmy Goldstar. Właśnie tej klasy przyrząd można polecić nawet średnio zaawansowanym elektronikom. 

Oscyloskop OS 9020A jest najtańszy z całej rodziny OS 9000. Jest oczywiście najuboższy, ale należy mieć na względzie, że większość funkcji dostępnych w droższych modelach nie daje jakiś nowych, cennych możliwości, tylko ułatwia pomiary. Pokazany oscyloskop realizuje prawie wszystkie funkcje, jakie są potrzebne w praktyce (nie można nim jednak badać przebiegów jednorazowych). Wyposażony jest w lampę z dużym, prostokątnym ekranem o wymiarach 10x8cm, posiadajacą wewnętrzną skalę. Przyrząd może mierzyć sygnały od prądu stałego (0Hz) do przynajmniej 20MHz. Ten zakres częstotliwości całkowicie wystarczy nawet zaawansowanemu elektronikowi. Zakres współczynników wzmocnienia torów wynosi 1mV/dz...5V/dz. Maksymalne dopuszczalne napięcie szczytowe podawane na wejścia nie może przekroczyć 250V. Zakres kalibrowanych współczynników podstawy czasu wynosi 0,2μs/ dz...0,2s/dz, przy czym istnieje możliwość poszerzenia go do 0,02μs/dz. Przyrząd może pracować w temperaturze 0...+40°C, waży 7,8kg i pobiera z sieci około 40W mocy. 


Oscyloskopy jednokanałowe i oscyloskopy dwukanałowe


W tym odcinku zostaną omówione dwa tematy: możliwości przeróbki oscyloskopu jednokanałowego na wielokanałowy oraz sposoby pomiaru przebiegów jednorazowych. W poprzednim odcinku przedstawiono oscyloskopy dwukanałowe. Amatorzy często zastanawiają się nad możliwością przeróbki oscyloskopu jednokanałowego na wielokanałowy. W literaturze spotyka się opisy przystawek zwiększających liczbę kanałów. Głównym zagadnieniem przy konstruowaniu jakich przystawek jest wymaganych zakres napięć sygnałów wejściowych. Jeśli poszczególne kanały przystawki miałyby mierzyć sygnały o znacznie różniących się amplitudach, wtedy konieczne byłoby zastosowanie w każdym kanale wzmacniaczy i tłumików, pozwalających dostosować się do poziomu sygnału. Wykonanie dobrego szerokopasmowego tłumika jest bardzo trudną sprawą, dlatego przystawki opisywane w literaturze przeznaczone są zazwyczaj do badania przebiegów cyfrowych. Do wykonania takiej przystawki wystarczy kilka układów cyfrowych: multiplekser, licznik i kilka bramek. Blokowy schemat najprostszej przystawki pokazany jest na rysunku 18a. 

Obraz na ekranie przedstawia rysunek 18b. 

Wykorzystuje się tu pracę przemienną poszczególne przebiegi rysowane są podczas kolejnych przebiegów podstawy czasu. Duże znaczenie ma sprawa synchronizacji podstawa czasu oscyloskopu pracuje w trybie wyzwalania sygnałem zewnętrznym. Do wyzwalania trzeba zastosować jeden z sygnałów ten, który ma najdłuższy okres. Wtedy na uzyskanym obrazie zachowane będą zależności czasowe miedzy poszczególnymi przebiegami. Do przesunięcia w pionie poszczególnych obrazów wykorzystuje się przetwornik D/A, a właściwie prosty generator napięcia schodkowego, składający się z kilku rezystorów. Do prawidłowego działania przystawki potrzebny jest sygnał podstawy czasu, lub sygnał bramkujący podstawy czasu wiele oscyloskopów ma gniazdo wyjściowe z takim sygnałem. W najprostszych oscyloskopach trzeba taki sygnał wyprowadzić na zewnątrz przewodem. Możliwe byłoby również zastosowanie pracy siekanej i sterowanie licznika przystawki z własnego generatora taktującego. Przy pracy siekanej mogą jednak wystąpić kłopoty z wygaszaniem “przejść” między poszczególnymi przebiegami, co może doprowadzić do zamazania obrazu. W przypadku sygnałów analogowych sprawa jest nieco bardziej skomplikowana, ale budowa takiego układu również jest możliwa. 

 

Badanie przebiegów wolnozmiennych i jednorazowych

 

Każdy użytkownik oscyloskopu wie, iż trudno jest obejrzeć zwykłym oscyloskopem przebiegi o częstotliwościach mniejszych niż kilkadziesiąt herców, ponieważ dają one na ekranie obraz migający. Zwykły oscyloskop w zasadzie nie nadaje się od obserwacji przebiegów o częstotliwościach mniejszych niż 10...20Hz. Plamka porusza się wtedy na ekranie bardzo wolno, a więc zaobserwowanie kształtu przebiegów i określenie ich parametrów jest bardzo utrudnione. Jeszcze gorzej wygląda to przy próbie pomiaru przebiegów jednorazowych, czyli niepowtarzalnych. Przebieg taki raz mignąłby na ekranie, a obserwator na pewno nie zdążyłby czegokolwiek zauważyć. Przykładem przebiegów niepowtarzalnych są napięcia na stykach wyłączników i przekaźników. Przy łączeniu i rozłączaniu styków mechanicznych łączenie nie następuje w jednym ułamku sekundy występują drgania i przebieg napięcia na obciążeniu nie jest czystym prostokątem, zawiera oscylacje. Przykład takich oscylacji pokazano na rysunku 19. 

Nie ulega wątpliwości, że przy każdym włączeniu lub wyłączeniu styku S, przebieg tych oscylacji będzie nieco inny. Do zobrazowania na oscyloskopie takich przypadkowych przebiegów nie można więc wykorzystać metody wielokrotnego rysowania, jak to jest przy normalnej pracy oscyloskopu. Trzeba znaleźć sposób na “zatrzymanie na ekranie” przebiegu jednorazowego. Sposobów jest kilka. Najprostszy, ale w warunkach amatorskich jedyny dostępny, polega na wykorzystaniu lampy oscyloskopowej z długą poświatą. W typowych lampach z zielonym luminoforem świecenie ekranu zmniejsza się bardzo szybko po ustaniu pobudzenia. Ale są luminofory, które świecą jeszcze dłuższy czas po jednokrotnym pobudzeniu. Niektóre lampy mają na ekranie dwa rodzaje luminoforu: jeden “szybki”, świecący zwykle w kolorze zielonym, oraz drugi świecący słabiej ale znacznie dłużej (zwykle w kolorze żółtozielonym lub żółtoniebieskim). Warto sprawdzić, czy w posiadanym oscyloskopie zastosowano taki podwójny luminofor. Należy ustawić jak najmniejszą prędkość plamki (0,2 lub więcej sekundy na działkę), podać sygnał prostokątny z generatora o częstotliwości rzędu pojedynczych herców i obserwować, czy obraz na ekranie utrzymuje się jeszcze po przejściu plamki. Ponieważ jasność świecenia tego drugiego luminoforu jest bardzo mała, próby należy przeprowadzić przy zgaszonym świetle, w dobrze zaciemnionym pomieszczeniu. Jeśli okaże się, że czytelny obraz utrzymuje się sekundę lub dłużej, oscyloskop może być używany do wielu ciekawych celów, między innymi w trybie X−Y jako wskaźnik do wobulatora m.cz. Nawet jeżeli, co bardzo prawdopodobne, lampa nie ma podwójnego luminoforu, warto sprawdzić, czy podanej prostej metody nie uda się wykorzystać w całkowitej ciemności. To nie żart. Jasność luminoforu maleje wykładniczo w czasie, i przy całkowitym zaciemnieniu być może ślad pozostawiony przez plamkę będzie wystarczający do zaobserwowania przebiegów jednorazowych. Przy takiej prymitywnej metodzie badania przebiegów jednorazowych należy oczywiście wykorzystać tryb pracy wyzwalanej, a może nawet wykonać dodatkowy układ synchronizacji, dołączony do gniazda synchronizacji zewnętrznej oscyloskopu. Niektóre starsze oscyloskopy zawierają lampę z podwójnym luminoforem. Wtedy obok normalnej (automatycznej) oraz wyzwalanej pracy podstawy czasu, możliwa jest praca jednorazowa. Odpowiednia pozycja przełącznika jest oznaczona SINGLE, ONE SHOT. W takich oscyloskopach zawsze występuje też przycisk oraz lampka gotowości oznaczone READY. Po naciśnięciu wspomnianego przycisku zapala się lampka gotowości. Generator jest gotowy do pracy i pierwszy przychodzący impuls wyzwalający uruchamia go. Lampka gotowości gaśnie. Wyzwalanie przy tym sposobie pracy jest identyczne jak w trybie wyzwalanym, z tą różnicą, że następne nadchodzące przebiegi nie uruchomiają generatora piły. Narysowany jednokrotnie przebieg można dokładnie obejrzeć, o ile tylko pomieszczenie jest wystarczająco zaciemnione. Właśnie w trybie jednorazowym często przydaje się wspomniana w poprzednim odcinku linia opóźniająca, umożliwiająca obejrzenie także przedniego zbocza badanego przebiegu. 

 

Lampy pamiętające

 

Pokrewną i podobną w obsłudze metodą zatrzymania obrazu na ekranie jest wykorzystanie specjalnej lampy pamiętającej. Budowa takiej lampy jest skomplikowana, dziś już się takich lamp nie stosuje. Być może jednak ktoś z Czytelników ma dostęp do oscyloskopu wyposażonego w taką lampę. Wykorzystanie lampy pamiętającej jest dobrym sposobem pozwalającym na obserwację przebiegów wolnozmiennych i jednorazowych, ale niestety drogim i dziś już przestarzałym. 

 

Metody cyfrowe

 

Kolejną możliwością badania przebiegów niepowtarzalnych jest zastosowanie przetwornika analogowo−cyfrowego, pamięci półprzewodnikowej RAM i przetwornika cyfrowo−analogowego. Jest to sposób bardzo dobry stosowany jest we współczesnych oscyloskopach. Przebieg napięcia jest zamieniony na ciąg próbek liczb, a następnie zapamiętany w szybkiej pamięci półprzewodnikowej. Tak zapamiętany przebieg może być wielokrotnie odtwarzany na ekranie. Doszliśmy do oscyloskopów cyfrowych będą one bliżej omówione w jednym z następnych odcinków. 

 

Podwójna podstawa czasu

 

Przy badaniu skomplikowanych przebiegów często zachodzi potrzeba dokładnego obejrzenia małego wycinka jakiegoś dłuższego sygnału. Przykładowo w serwisie urządzeń TV bada się zespolony sygnał wizyjny. W sygnale tym w ciągu sekundy występuje 50 tzw. półobrazów, przedzielonych impulsami synchronizacji ramki (pola). Każdy półobraz składa się z ponad trzystu ponumerowanych fragmentów, tzw. linii, przedzielonych krótkimi impulsami synchronizacji linii. W praktyce trzeba niekiedy obejrzeć sygnał konkretnej linii. Należy więc znaleźć sposób na odszukanie w zespolonym sygnale wizyjnym tylko ściśle określonych, krótkich fragmentów. Ilustruje to rysunek 20, pokazujący w uproszczeniu zawartość linii numer 40. 

Można do tego zastosować specjalizowany zewnętrzne urządzenie, tak zwany selektor zawierający licznik linii sygnału telewizyjnego. Selektor odszukuje impulsy synchronizacji ramki, a następnie liczy kolejne linie danego półobrazu. Po dojściu do potrzebnej linii (wg rys. 20 jest to linia nr 40) wyzwalany jest generator podstawy czasu w oscyloskopie. Zamiast zewnętrznego selektora można też zastosować inną metodę. Jest ona szeroko stosowana w droższych analogowych oscyloskopach. W przyrządach zbudowanych według omówionej dalej zasady występują dwa generatory podstawy czasu: główny, oznaczany MTB (Main Time Base) lub krótko A oraz opóźniony, oznaczany DTB (Delayed Time Base) lub B. Ideę pokazuje rysunek 21. 

Chodzi o dodanie do zwykłego oscyloskopu dodatkowego układu wyzwalania i dodatkowego generatora podstawy czasu. Dodatkowy układ wyzwalania (zwykle jest to układ porównujący czyli komparator) zawsze wyposażony jest w regulator opóźnienia. Drugi generator podstawy czasu jest wyzwalany w momencie, gdy napięcie generatora głównej podstawy czasu przekracza pewien poziom, ustalany za pomocą wieloobrotowego potencjometru. Drugi, szybszy generator podstawy czasu zostaje wyzwolony po pewnym czasie. W efekcie w torze X oscyloskopu są do dyspozycji dwa piłokształtne sygnały podstawy czasu mogą one być wykorzystane w różnorodny sposób, w tym do zobrazowania na ekranie potrzebnego małego wycinka przebiegu. Być może początkujący Czytelnik nie bardzo rozumie, jak to wszystko działa, i jak to wygląda w praktyce. Pomocą w zrozumieniu będzie poniższy opis, a wszystko staje się całkiem jasne po przeprowadzeniu kilku praktycznych prób z takim oscyloskopem. Oscyloskopy z podwójną podstawą czasu mają standardowo trzy tryby pracy: 

1. Pracuje tylko generator głównej podstawy czasu MTB; jest to praca jak w zwykłym oscyloskopie. 

2. Generator DTB podświetla (rozjaśnia) fragment przebiegu generatora MTB ten tryb służy do przygotowania i wybrania z przebiegu na ekranie potrzebnego małego fragmentu. 

3. Na całej szerokości ekranu, przy wykorzystaniu DTB, rysowany jest wybrany wcześniej mały fragment przebiegu. 

Tryb pierwszy nie wymaga komentarza. Przykładowy obraz na ekranie w tym trybie, układ połączeń wewnętrznych i przebiegi napięć pokazano na rysunku 22. 

Po przełączeniu w tryb drugi, oznaczany A INT(ensified by) B, rozjaśniony zostaje zostaje fragment przebiegu na ekranie, jak przedstawiono to na rysunku 23. 

Używając wieloobrotowego potencjometru P, oznaczonego zwykle DELAY (lub DEL’D POSITION), użytkownik może regulować położenie początku rozjaśnionego fragmentu. Natomiast długość części podświetlonej można regulować zmieniając prądkość opóźnionej podstawy czasu; w niektórych oscyloskopach jest to oddzielne pokrętło, również wyskalowane w ms/działkę i μs/działkę, w innych ustawia się to wyciągając gałkę pokrętła głównej podstawy czasu. Po przełączeniu w tryb oznaczony B, TRIG’D B lub Á, na ekranie ukazuje się rozjaśniony poprzednio fragment teraz jest rozciągnięty i można dokładnie obejrzeć szczegóły. Wygląd ekranu, połączenia i przebiegi w torze X pokazuje rysunek 24. 

Jak widać z podanego opisu, szybkość dodatkowej podstawy czasu (oznaczonej DTB) zawsze powinna być większa od szybkości głównej podstawy czasu MTB. Oczywiście ten sposób pracy może być stosowany tylko przy badaniu przebiegów powtarzalnych, a nie jednorazowych, albowiem najpierw z całego przebiegu trzeba wybrać interesujący fragment do rozciągnięcia. Tu można zadać Czytelnikom trudne pytanie: czy przy wykorzystaniu opóźnionej podstawy czasu, można obserwować na ekranie jednocześnie dwa przebiegi? Czy mogą to być przebiegi z obu kanałów Y? A czy można jednocześnie uzyskać na ekranie oba przebiegi z rysunków 23 i 24? Czy można wykorzystać dwie podstawy czasu przy badaniu przebiegów jednorazowych? Odpowiedź nie jest jednoznaczna wszystko zależy od rozwiązań konstrukcyjnych przyjętych przy budowie danego oscyloskopu. Oczywiście są oscyloskopy, które mogą wyświetlać wspomniane przebiegi. Niektóre oscyloskopy mają jeszcze inne, nie wymienione tu możliwości wykorzystania obu generatorów podstawy czasu, należy to sprawdzić w oryginalnej instrukcji obsługi. Na przykład rysunek 25a pokazuje obraz przebiegu w jeszcze innym rodzaju pracy. 

Najpierw wybrany został potrzebny fragment (patrz rysunki 22, 23). Jednak potem, zamiast rysować tylko wybrany fragment przebiegu, rysowany jest cały przebieg, z tym, że uprzednio wybrany fragment jest rozciągnięty w stosunku do pozostałej części. Taki niecodzienny rodzaj pracy powstaje przy zsumowaniu przebiegów obu podstaw czasu. Wypadkowy przebieg podany na płytki X ma kształt jak na rysunku 25b. Dociekliwi Czytelnicy powinni dokładnie przeanalizować wszystkie rysunki i upewnić się, czy wszystko jest dla nich jasne. Pomoże to w przyszłości rozumnie wykorzystać nieocenione zalety oscyloskopu z podwójną podstawą czasu. Opóźniona podstawa czasu radykalnie rozszerza możliwości pomiarowe oscyloskopu, niestety zwiększa też znacznie jego cenę. Konstruktor elektronik dość często napotyka sytuacje, w których wykorzystanie opóźnionej podstawy czasu znakomicie pomaga ustalić przyczynę błędnego działania układu. W wielu wypadkach, rozumiejąc opisane zasady, można zbudować przystawkę do oscyloskopu układ opóźniająco−synchronizujący, który przy wykorzystaniu trybu wyzwalania zewnętrznego umożliwi oglądanie wybranych, niewielkich fragmentów badanych przebiegów impulsowych. Najpierw przy synchronizacji wewnętrznej należy zobrazować na ekranie cały przebieg, potem zmierzyć potrzebne opóźnienie i nastawić takie opóźnienie w układzie zewnętrznej przystawki. Potem trzeba przełączyć oscyloskop na wyzwalanie zewnętrzne i zwiększyć szybkość podstawy czasu. Uproszczony, blokowy schemat takiej przystawki pokazany jest na rysunku 26. 

Pokazany układ opóźniający nie musi generować przebiegu piłokształtnego wystarczy, że będzie to cyfrowy układ opóźniający z wykorzystaniem uniwibratora. Większym problemem jest budowa dobrego układu synchronizującego, pracującego w szerokim zakresie sygnałów wejściowych. Tu właśnie pomysłowy elektronik ma duże możliwości rozszerzenia możliwości swojego w miarę prostego oscyloskopu. 

 

Oscyloskopy cyfrowe

 

W poprzednich odcinkach tej serii omówiono zasadę działania oscyloskopu oraz zaprezentowano oscyloskopy analogowe, począwszy od najprostszych, amatorskich do profesjonalnych. W tym odcinku podane są informacje o współczesnych oscyloskopach cyfrowych. Sposoby i rozwiązania zastosowane w oscyloskopach cyfrowych mogą być z powodzeniem użyte do skonstruowania użytecznych przystawek przekształcających jakikolwiek, nawet najtańszy, komputer w oscyloskop, czy jeszcze bardziej wszechstronny przyrząd pomiarowy zawierający dodatkowo multimetr, analizator stanów logicznych czy analizator widma. Rozwój elektroniki wskazuje też niedwuznacznie, że już niedługo właśnie oscyloskopy cyfrowe z ekranem ciekłokrystalicznym będą tańsze od oscyloskopów z lampą próżniową. 

 

Readout 

 

Jak wspomniano wcześniej, wprowadzenie nowoczesnej techniki cyfrowej do wnętrza oscyloskopu, ogromnie zwiększa jego możliwości. Przykładowo “w wolnych chwilach”, to znaczy pomiędzy kolejnymi przebiegami podstawy czasu, można coś narysować na ekranie. Już od dawna wykorzystuje się to do wprowadzenia na ekran znaków i napisów. 

Względnie proste jest samo wprowadzanie takich znaków. Podczas wspomnianych przerw oscyloskop przełączany na pracę w trybie X−Y−Z i ze współpracującego układu cyfrowego wysyłane są przebiegi powodujące narysowanie na ekranie cyfr i liter. W niektórych oscyloskopach na ekranie podane są w postaci cyfrowej wartości współczynników wzmocnienia i czasu, wybrane w torach Y i X. Należy tu jasno powiedzieć, że nadal chodzi o zwykłe oscyloskopy analogowe, a jedyną funkcją cyfrową, szczerze mówiąc mało użyteczną, jest wyświetlanie na ekranie informacji o rodzaju pracy i współczynnikach wybranych pokrętłami i przełącznikami. Kolejnym krokiem w cyfryzacji oscyloskopu jest dodanie układu (częściowo analogowego, częściowo cyfrowego), który narysuje na ekranie znaczniki, zwane kursorami ułatwiające pomiary napięć i czasu. Kursory mogą mieć postać pionowych i poziomych linii, strzałek lub nawet rozjaśnionych kropek. 

Dwa takie kursory można za pomocą pokrętła przesuwać po ekranie, a wspomniany układ automatycznie obliczy i wyświetli na ekranie w postaci cyfrowej odległość między nimi w pionie i w poziomie, czyli różnicę napięć i czas. Takią funkcję kursorów i cyfrowy odczyt nazywa się po angielsku Read Out. Jeszcze raz trzeba podkreślić, że jest to cyfrowy dodatek do klasycznych analogowych oscyloskopów. Przykładami oscyloskopów tej klasy są oscyloskopy produkcji GoldStara z rodziny OS−9000. Przykładowo model OS−9040RB ma pasmo przenoszenia 40MHz, wyposażony jest w układ podwójnej podstawy czasu i funkcję ReadOut, pozwalająca za pomocą kursorów mierzyć napięcie i czas. 

 

Oscyloskop analogowy z pamięcią cyfrową

 

Kolejnym krokiem we wprowadzaniu techniki cyfrowej do oscyloskopu jest zastosowanie przetworników analogowo−cyfrowych, cyfrowo−analogowych i pamięci. Schemat blokowy oscyloskopu analogowo−cyfrowego pokazany jest na rys. 27. 

Jest to schemat uproszczony do minimum, by pokazać zasadę działania. W rzeczywistości oscyloskop cyfrowy na pewno ma przynajmniej dwa kanały Y, a tor X jest znacznie rozbudowany. W pozycji przełącznika ANALOGOWY układ pracuje jak klasyczny oscyloskop. W pozycji przełącznika CYFROWY układ ma dodatkowe możliwości. Przede wszystkim możliwe jest zapamiętanie przebiegu w pamięci półprzewodnikowej RAM. Często pamięć pozwala zapamiętać kilka przebiegów. Jest oczywiste, że mogą to być także przebiegi jednorazowe, niepowtarzalne. Obecnie spotyka się na rynku szereg oscyloskopów tego typu. Przy ich zakupie trzeba zwrócić uwagę na pasmo przenoszenia, podane w materiałach reklamowych. Często jest ono różne dla oscyloskopu pracującego w trybie analogowym i cyfrowym. 

Zwłaszcza w tańszych modelach w trybie cyfrowym pasmo może być znacznie węższe, a wynika to z właściwości zastosowanego (niezbyt szybkiego) przetwornika analogowo−cyfrowego. Choć wydawałoby się, że szczytem marzeń będzie oscyloskop całkowicie cyfrowy, gdzie przebieg badany byłby w każdym przypadku zamieniany na postać cyfrową (ułatwia to dokonanie od razu pomiarów amplitudy i czasu), jednak praktyka pokazuje, że oscyloskopy analogowe z pamięcią cyfrową cieszyły się i nawet teraz cieszą się dużym powodzeniem. Wynika to z przyzwyczajenia większości elektroników, a po części z niedoskonałości układów wyzwalania. W konsekwencji w większości przypadków wykorzystuje się oscyloskop w trybie analogowym, a część cyfrową wykorzystuje się tylko do obserwacji specyficznych przebiegów (np. bardzo wolnych, jednorazowych, itp.).

 

 

Rozwój oscyloskopów cyfrowych

 

W poprzednim odcinku omówiono krótko oscyloskopy analogowe z funkcją ReadOut i oscyloskopy analogowo–cyfrowe. Jak wspomniano, wcześniej wydawało się, iż szczytem marzeń będzie oscyloskop całkowicie cyfrowy, w którym przebieg badany będzie zawsze zamieniany na postać cyfrową. Czas pokazał, że nie zawsze jest to pożądane, ale istotnie, zamiana przebiegu na postać cyfrową ma wiele niewątpliwych zalet. Przede wszystkim możliwe jest bezproblemowe dalsze przetwarzanie takiego sygnału. Na przykład sygnał cyfrowy może być przesłany do komputera, a potem wydrukowany na drukarce lub ploterze. To bardzo istotna sprawa – dawniej rejestracja przebiegów wymagała użycia aparatu fotograficznego, co oczywiście było kłopotliwe i kosztowne. Drugą ogromną zaletą przetwarzania cyfrowego jest możliwość zapamiętywania nie tylko jednego przebiegu, ale wielu przebiegów w pamięci cyfrowej, czy to wbudowanej w oscyloskop, czy pamięci w dołączonym komputerze. Nieocenioną zaletą jest także możliwość łatwego przetwarzania – określania napięć, czasów i częstotliwości, a także na przykład określania zawartości harmonicznych przebiegu (przy wykorzystaniu tak zwanej transformaty Fouriera). 

 

Próbkowanie 

 

Przy omawianiu oscyloskopów cyfrowych nie można zapominać, że ich podstawowym parametrem jest tak zwana szybkość próbkowania. Dobry oscyloskop powinien umożliwiać obserwację przebiegów o jak największych częstotliwościach, czyli bardzo szybkich. W klasycznym analogowym oscyloskopie z lampą elektronową ograniczeniem jest pasmo przenoszenia tłumików i wzmacniaczy w torze Y oraz sama lampa, która nie jest w stanie zobrazować bardzo szybkich przebiegów. W oscyloskopach całkowicie cyfrowych sygnał ze wzmacniaczy czy tłumików wejściowych jest od razu podawany na przetwornik analogowo cyfrowy, a potem zapamiętywany w pamięci półprzewodnikowej (porównaj rysunek 27 w EdW 6/97 str. 32). Jeśli sygnał zostanie wpisany do pamięci, można go stamtąd odtworzyć w dowolnym czasie. To znaczy, że krótki impuls, który trwał przykładowo tylko ułamki mikrosekundy, można po zapisaniu w pamięci odtworzyć na ekranie w czasie powiedzmy kilku milisekund. Oznacza to, że lampa nie musi być już tak szybka, by zobrazować bardzo krótkie, szybkozmienne przebiegi. A trzeba wiedzieć, że wcale nie jest łatwo zbudować lampę o szerokim paśmie przenoszenia. Jeśli lampa nie musi być już taka szybka, to można zamiast niej zastosować nawet kolorowy kineskop telewizyjny. Są takie oscyloskopy z kolorowym ekranem – poszczególne przebiegi i napisy wyświetlane są w różnych kolorach ułatwiających ich rozróżnienie. Producenci oscyloskopów poszli jeszcze dalej – zrezygnowali z lampy i zastosowali ekran z ciekłych kryształów (LCD). O tym za chwilę. W oscyloskopie cyfrowym ograniczeniem są nie tyle trudności z wykonaniem tłumików i wzmacniaczy o odpowiednim paśmie (wykonanie dobrego, szerokopasmowego tłumika wcale nie jest łatwiejsze, niż zbudowanie stosownego wzmacniacza), co parametry przetwornika analogowo–cyfrowego oraz właściwości układów wyzwalania. Problem ilustruje rysunek 28, pokazujący sygnał jednej linii obrazu telewizyjnego (composite video). 

Oscyloskop analogowy zobrazuje taki przebieg bez większych przeszkód (28a). Natomiast oscyloskop cyfrowy „ze swej natury” może wprowadzić pewne niejasności (28b). Jeszcze dobitniej pokazuje to rysunek 29. 

W oscyloskopie cyfrowym próbkowanie i przetwarzanie, czyli zamiana wartości napięcia na liczbę następuje tylko w ściśle określonych chwilach, zaznaczonych na rysunku 29a strzałkami. Do pamięci zapisywane są wartości napięcia, występujące tylko w tych wybranych momentach (rys 29b). Co się stanie, jeśli w czasie pomiędzy kolejnymi próbkowaniami, w sygnale pojawią się zmiany (zaznaczone na rysunku dużą czerwoną strzałką)? Nic się nie stanie – zmiany te „umkną uwadze oscyloskopu”, po prostu zostaną zignorowane i nie pojawią się na ekranie – zobacz rysunek 29c. W oscyloskopach cyfrowych obraz zwykle nie składa się z oddzielnych kropek (choć można też wybrać taki tryb wskazań), ponieważ wbudowany mikroprocesor łączy punkty odcinkami i linia na ekranie jest ciągła. Ktoś powie, że nie ma problemu z takimi krótkimi impulsami – wystarczy zwiększyć częstotliwość próbkowania, a pojawią się one na ekranie. Jest to częściowo prawda, ale po pierwsze nie zawsze można zwiększać częstotliwości próbkowania (choćby ze względu na ograniczone możliwości przetwornika A/D), a ponadto w niektórych sytuacjach, na przykład przy obserwacji przebiegu zmodulowanego amplitudowo, nie ma to sensu. Taka ziarnista struktura sygnału zapamiętywanego w pamięci każdego oscyloskopu cyfrowego może więc wręcz wprowadzić błędy przy obrazowaniu wyników. Aby uniknąć błędów tego typu, oscyloskopy cyfrowe wyposaża się w specjalne układy detekcji i wyzwalania. W opisach technicznych można potem spotkać określenia wskazujące, jakie impulsy są wykrywane przez te układy detekcji – zwykle rzędu kilku... kilkunastu nanosekund. Oscyloskopy cyfrowe zwykle mają też kilka rodzajów pracy, na przykład tak zwana praca z obwiednią (envelope), czy też obrazowania wartości maksymalnych czy minimalnych występujących pomiędzy kolejnymi próbkowaniami. Te szczegóły wykraczają już poza zakres tego artykułu. Ze względu na wspomniane trudności, niektóre firmy nie rezygnują z budowy oscyloskopów, które w zależności od potrzeb mogą pracować albo w trybie analogowym, albo cyfrowym. Przykładem jest nowoczesny oscyloskop COMBISCOPE PM3394B Firmy Fluke o paśmie przenoszenia 200MHz i częstotliwości próbkowania 20GS/s (przebiegi powtarzalne) i 200MS/s (przebiegi jednorazowe). Przy zakupie oscyloskopów analogowo–cyfrowych (a także wyłącznie cyfrowych) należy zwrócić baczną uwagę na kwestię pasma przenoszenia i maksymalnej częstotliwości próbkowania. Wiele oscyloskopów analogowo–cyfrowych, szczególnie tych nieco starszych, ma określone, dość szerokie pasmo przenoszenia w trybie analogowym i znacznie węższe pasmo przenoszenia w trybie cyfrowym – jeszcze przed kilku laty dużym problemem było zbudowanie szybkiego przetwornika A/D. Dziś można znaleźć w postaci pojedynczych układów scalonych ośmiobitowe przetworniki typu flash o szybkości przetwarzania setek milionów próbek na sekundę. Jednak do danych podawanych w materiałach reklamowych oscyloskopów trzeba podchodzić bardzo ostrożnie. Przykładowo, w ulotce reklamowej jakiegoś niedrogiego oscyloskopu podano, że ma on maksymalną częstotliwość próbkowania równą 1GS/s (1 miliarda próbek na sekundę). Z częstotliwości próbkowania 1GS/s na pierwszy rzut oka mogłoby wynikać, że oscyloskop ma pasmo przenoszenia sięgające setek megaherców. Przy bliższym zapoznaniu się z instrukcją wyjdzie na jaw, że pasmo wynosi powiedzmy... 20MHz. Podano tu częstotliwość próbkowania przebiegów powtarzalnych, uzyskiwana przy pomocy pewnej, powiedzmy – prostej sztuczki. W istocie, przy bliższym przestudiowaniu katalogu okaże się, iż rzeczywista częstotliwość próbkowania przetwornika, istotna w przypadku rejestrowania przebiegu jednorazowego wynosi tylko 20MS/s (20 milionów próbek na sekundę). Słabo zorientowany elektronik, naczytał się w książkach, że można zrekonstruować sygnał, jeśli częstotliwość próbkowania będzie dwa razy większa od najwyższej częstotliwości składowej przebiegu rejestrowanego. W praktyce okaże się jednak, iż w przypadku obrazu na ekranie oscyloskopu, potrzeba przynajmniej dziesięciu próbek na jeden okres przebiegu rejestrowanego, aby z obrazu można było cokolwiek wywnioskować. W efekcie „cudowny” oscyloskop cyfrowy będzie w stanie zarejestrować przebiegi jednorazowe o częstotliwościach nie większych niż 1...2MHz. Oczywiście w przypadku przebiegów powtarzalnych pasmo sięgać będzie podanej w katalogu wartości 20MHz. Podany przykład wcale nie ma zniechęcić do oscyloskopów cyfrowych. W ogromnej większości przypadków niedrogi oscyloskop cyfrowy o podanych parametrach (20MHz, 20MS/s) okaże się całkowicie wystarczający. Tylko w profesjonalnych laboratoriach potrzebne bywają zdecydowanie szybsze oscyloskopy. A są takie. Obok wspomnianego PM3394B można tu podać jako przykład oscyloskop TDS744 z firmy Tektronix o paśmie 500MHz i szybkości próbkowania przebiegów jednorazowych (!) równym 2GS/s, co daje rozdzielczość kolejnych próbek rzędu 100 pikosekund! Takie wyrafinowane, szybkie i oczywiście bardzo drogie oscyloskopy cyfrowe rzeczywiście nie ustępują najlepszym oscyloskopom analogowym a przewyższają je pod wieloma względami. Trzeba jeszcze raz podkreślić, że do praktycznych zastosowań bardzo rzadko potrzebne są tak wspaniałe parametry. 

 

Oscyloskopy przenośne

 

Jak wspomniano, zastosowanie pamięci półprzewodnikowej (i mikroprocesora) umożliwiło rezygnację z lampy elektronowej i wykorzystanie ekranów ciekłokrystalicznych (LCD). Ekran taki zawiera matrycę punktów – poszczególne punkty mogą być jasne lub ciemne, można na nim wyświetlać zarówno litery i cyfry, jak również prostą grafikę. Ogólnie biorąc, ekran taki jest stosunkowo powolny i zupełnie nie nadawałby się do współpracy z bardzo szybkimi przebiegami. Dzięki zastosowaniu pamięci cyfrowej, możliwe stało się „zamrożenie” w niej nawet bardzo szybkich przebiegów i późniejsze stosunkowo powolne wyprowadzenie ich na „leniwy” ekran LCD. Taka możliwość otworzyła drogę do skonstruowania poręcznych, przenośnych oscyloskopów zasilanych z baterii. Co prawda, od dawna produkowano klasyczne oscyloskopy mające możliwość zasilania bateryjnego, ale oczywiście ze względu na gabaryty lampy nie były to przyrządy poręczne. Na fotografiach 3...5 można zobaczyć trzy oscyloskopy firm Tektronix i Fluke z ekranem ciekłokrystalicznym. 

Dwa pierwsze są typowymi przyrządami przenośnymi. Oprócz funkcji dwukanałowego oscyloskopu pełnią funkcję wielofunkcyjnego multimetru oraz rejestratora. Są to naprawdę uniwersalne urządzenia pomiarowe – umożliwiają obserwację kształtu przebiegów, pomiary napięcia, prądu, częstotliwości, czasu impulsów, temperatury a także długoczasową rejestrację (do kilkudziesięciu godzin) wybranych wielkości. W przypadku trzeciego, niewątpliwie stacjonarnego oscyloskopu laboratoryjnego warto zwrócić uwagę na małą głębokość obudowy. Przyrządy pokazane na fotografiach pochodzą z firm, cieszących się od lat ustaloną renomą. Mogłoby się wydawać, że ceny takich wspaniałych aparatów są niebotyczne. Rzeczywiście, nie jest to sprzęt dla przeciętnego hobbysty, ale biorąc pod uwagę osiągnięte parametry i zakres możliwości, ceny wcale nie są przerażające. Sprzęt taki będzie się coraz częściej pojawiał w zakładach produkcyjnych i usługowych. W niektórych zastosowaniach tego typu przenośne przyrządy okażą się wręcz niezastąpione. Wielu profesjonalistów i zaawansowanych hobbystów już teraz powinno rozważyć możliwość zakupu takiego wielofunkcyjnego przyrządu. Trzeba bowiem stwierdzić, że nie są to pierwsze, niedopracowane „jaskółki czyniące wiosnę”, ale przyrządy o dojrzałej, dopracowanej konstrukcji. 

 

Przystawki oscyloskopowe

 

Wszystkie współczesne oscyloskopy cyfrowe, nawet te przenośne, mają możliwość współpracy z komputerem. Niektóre mogą wprost obsługiwać drukarkę. Przesłanie danych do komputera umożliwia ich dalszą obróbkę – do przedstawianych oscyloskopów producenci proponują odpowiednie programy umożliwiające dalsze przetwarzanie wyników, na przykład określanie zawartości spektralnej (widmowej) przebiegu, czy zawartości harmonicznych. W przypadku współpracy z komputerem, ekran oscyloskopu okazuje się zupełnie niepotrzebny, bo wszystkie przebiegi można wyświetlić na ekranie komputera. I tu rysuje się jeszcze inny kierunek rozwoju oscyloskopu. Coraz częściej spotyka się w literaturze reklamy przystawek oscyloskopowych do komputera. Trzeba stwierdzić, że wiele z nich zawiera tylko przetwornik A/D, a więc niewiele mają one do czynienia z oscyloskopem. Dobra przystawka oscyloskopowa musi mieć obwody tłumików i wzmacniaczy wejściowych oraz obwody wyzwalania, a także możliwość sterowania nimi od strony komputera. Bez takich obwodów przystawka taka będzie pełnić jedynie rolę zabawki. Dla hobbystów takie przystawki są bardzo kuszącą alternatywą, choćby ze względu na cenę, a właściwie stosunek ceny do możliwości. 

 

Pomiary

 

W poprzednich odcinkach cyklu omówiono główne grupy oscyloskopów i ich możliwości pomiarowe. Parametry oscyloskopu, w szczególności szerokie pasmo przenoszenia to jednak nie wszystko. Udowodni to niniejszy odcinek, poświęcony bardzo ważnym zagadnieniom praktycznym. Każdy elektronik dokonujący pomiarów jakimkolwiek przyrządem powinien sobie zadać dwa podstawowe pytania: 

1. Czy dołączenie przyrządu pomiarowego nie wpływa na pracę i parametry badanego układu? 

2. Czy przyrząd dokładnie pokazuje mierzone wielkości, czy może „po drodze” do sygnału badanego przenikają zakłócenia, fałszujące wynik. 

Pytania te są jak najbardziej na miejscu w przypadku pomiarów dokonywanych przy użyciu oscyloskopu. Omówimy to bliżej.

 

Wpływ oscyloskopu na pracę badanego układu

 

Początkujący elektronik zwykle bagatelizuje sprawę wpływu dołączenia oscyloskopu na pracę badanego układu. Wie przecież, że rezystancja wejściowa każdego oscyloskopu wynosi aż 1 megaom. 1 megaom to rzeczywiście bardzo duża rezystancja, a więc wpływ jej dołączenia powinien być znikomy, prawie niezauważalny. Przecież rezystancje, z jakimi zwykle mamy do czynienia w układach są rzędu omów, ewentualnie kiloomów... To wszystko prawda, ale tylko w odniesieniu do prądu stałego i małych częstotliwości, nie większych niż kilkadziesiąt kiloherców. Przy większych częstotliwościach oscyloskop ma oporność znacznie mniejszą niż 1MΩ! Dlaczego? Po pierwsze nie wolno zapominać o pojemności wejściowej samego oscyloskopu. Wynosi ona 20...50pF w tanich oscyloskopach, i 6...30pF w dobrych oscyloskopach profesjonalnych. Po drugie trzeba pamiętać, że do tego dochodzi jeszcze pojemność kabla pomiarowego. Przewód ekranowany (lub koncentryczny) o długości 1m może mieć pojemność dochodzącą do 100pF. Wraz z pojemnością wejściową oscyloskopu daje to, powiedzmy, 140pF. Dołączając kabel oscyloskopu do jakiegoś punktu, dołączamy więc między ten punkt a masę pojemność 140pF. Czy to może coś zmienić w układzie? Obliczmy, jaką oporność (reaktancję) będzie mieć taka pojemność przy częstotliwości powiedzmy 15MHz: 

podstawiamy: 

Tylko 75 omów ?! I jak to się ma do rezystancji wejściowej 1MΩ, podanej w danych katalogowych? Wyobraźmy sobie jeszcze, co się stanie, gdy oscyloskopem z takim kablem spróbujemy zmierzyć przebiegi w obwodzie rezonansowym generatora LC o częstotliwości, powiedzmy, 15MHz. Tam pojemności w układzie są rzędu kilkudziesięciu pikofaradów. Najprawdopodobniej po dołączeniu oscyloskopu generator przestanie pracować. Natkniemy się na paradoksalną sytuację – oscyloskop pokaże, że generator nie pracuje, jednak po odłączeniu oscyloskopu układ, którego częścią jest ten generator, może dawać „oznaki życia”. Nieświadomy elektronik dołączy oscyloskop na stałe i będzie próbował ustalić, który element jest przyczyną milczenia generatora. Wymieni wszystkie elementy i zniechęci się zupełnie. Nabierze przekonania, że to schemat jest zły, a winę za niepowodzenie ponosi konstruktor układu, czy autor książki, z której pochodzi schemat. Być może generator jednak zadziała. Wtedy jednak pojemność oscyloskopu i kabla niewątpliwie zmieni częstotliwość drgań (w stopniu zależnym od tego, w którym punkcie układu został dołączony oscyloskop). Próba nastrojenia takiego generatora przy użyciu oscyloskopu nie da więc zadowalającego rezultatu. To jest bardzo jaskrawy i skrajny przykład. Ma on pokazać, że bezkrytyczne podejście do pomiarów może dać błędne wyniki, a nawet zniechęcić do uprawiania elektroniki. Elektronik rozumiejący problem znajdzie sposób na pomiar takiego generatora – nie będzie mierzył przebiegu na obwodzie rezonansowym, tylko gdzieś dalej, na kolejnym stopniu wzmocnienia. W razie potrzeby dołączy prosty wtórnik z tranzystorem FET, albo znajdzie jeszcze inną metodę przeprowadzenia w miarę dokładnego pomiaru. W każdym razie trzeba mieć świadomość, że dołączenie przyrządu pomiarowego zawsze coś zmienia w badanym układzie. Dobry elektronik powinien zdawać sobie sprawę, na ile może to zmienić wyniki pomiaru i zaburzyć pracę układu. Przykład z generatorem w.cz. może niektórych wręcz przeraził. Oporność wejściowa równa 75Ω, zamiast spodziewanej 1000000Ω to rzeczywiście spora niespodzianka. Ale, żeby nie demonizować, policzmy oporność (reaktancję) naszego oscyloskopu ze wspomnianym kablem, dla częstotliwości 20kHz, czyli dla górnej częstotliwości pasma akustycznego. 

To wprawdzie też nie jest zachwycający wynik, ale oporność 56 kiloomów nie stanowi już takiego zagrożenia dla układu małej częstotliwości. Z pewnością możemy mierzyć przy użyciu zwykłego kabla przebiegi na wyjściach wzmacniacza czy nawet przedwzmacniacza. Ale niewątpliwie należy zachować ostrożność przy dołączaniu oscyloskopu do obwodów małej częstotliwości, gdzie występują rezystancje o porównywalnej lub większej wartości. Z tego widać, że nawet w układach m.cz. należy uwzględniać obciążenie wnoszone przez oscyloskop. Czy jest jakieś wyjście imożliwość poprawy sytuacji? Jest, i to nie jedno! Przy dotychczasowych obliczeniach przyjęliśmy skrajnie niekorzystne warunki. Nawet gdy oscyloskop ma pojemność wejściową równą 40pF, możemy zastosować krótki kabel (10...20cm) i wypadkowa pojemność nie przekroczy 60pF. Da to ponad dwukrotne zwiększenie szkodliwej oporności (impedancji) obciążenia, czyli znaczne zmniejszenie wpływu dołączenia oscyloskopu. Rozważaniami dotyczącymi rodzaju stosowanego kabla zajmiemy się później. Z tego, co zostało powiedziane, wynika wniosek, że w większości układów małej częstotliwości można przeprowadzać pomiary oscyloskopowe przy użyciu możliwie krótkiego kabla pomiarowego. Czy jednak można jeszcze bardziej zmniejszyć wpływ szkodliwego obciążenia wprowadzanego przez oscyloskop? Przecież barierą jest tu pojemność samego oscyloskopu – nawet z króciutkim kablem nie uda się jej zmniejszyć poniżej 40pF... Czy oby na pewno? Część Czytelników będzie zaskoczona, gdy się dowie, że istnieją proste sposoby zmniejszenia pojemności, poniżej pojemności samego oscyloskopu! Wystarczy zastosować sondę tłumiącą sygnał. Fotografie w artykule pokazują różne sondy.

Najpopularniejsze są sondy bierne RC, tłumiące sygnał 10−krotnie. Często takie sondy stanowią standardowe wyposażenie oscyloskopu. W opisie takiej sondy zawsze występuje określenie 1:10. I znów nieświadomi, początkujący elektronicy sądzą, że takie sondy buduje się jedynie po to, by móc mierzyć większe napięcia. To prawda, że sondy 1:10 umożliwiają pomiar wyższych napięć, nawet do kilkuset woltów. Buduje się także sondy o współczynnikach tłumienia 1:100 i 1:1000, które umożliwiają pomiar przebiegów o amplitudach rzędu kilowoltów. Ale sondy tłumiące sygnał stosuje się przede wszystkim ze względu na zmniejszenie pojemności obciążającej układ. Podstawowy schemat sondy pokazany jest na rysunku 30. 

Teoretycznie potrzebne są tylko rezystory dzielnika, jednak wskutek istnienia różnych szkodliwych pojemności montażowych, do wyrównania charakterystyki częstotliwościowej niezbędne są niestety kondensatory. Niestety, bo kondensatory te obniżają oporność wejściową sondy przy większych częstotliwościach. Nie wchodząc w szczegóły podamy tylko jeden prosty wzór. Jeśli R1C1 = R2C2 to dzielnik jest skompensowany częstotliwościowo, czyli jednakowo tłumi sygnały w szerokim pasmie częstotliwości. Ponieważ rezystancja R1 jest dziewięciokrotnie większa niż R2, więc pojemność C1 będzie dziewięciokrotnie mniejsza niż C2! To oznacza, że w idealnym przypadku za pomocą sondy 1:10 moglibyśmy zmniejszyć pojemność wejściową dziesięciokrotnie, a z pomocą sondy 1:100 – aż stukrotnie! Wpraktyce nie udaje się co prawda zmniejszyć pojemności aż tyle razy, jednak efekt jest godny uwagi. Budowa typowej biernej sondy oscyloskopowej jest nieco odmienna od postaci, pokazanej na rysunku 30. Rzecz w tym, że sam oscyloskop ma rezystancję 1MΩ i jakąś pojemność – stają się one częścią dzielnika napięcia. Typowy schemat sondy 1:10 współpracującej z oscyloskopem pokazany jest na rysunku 31a i 31b. 

Jak widać, sonda zawiera w zasadzie tylko rezystor i trymer (kondensator zmienny), a pojemność C1 jest zwykle pojemnością montażową rezystora i obudowy. Trymer jest potrzebny, by prawidłowo skompensować sondę dołączoną do różnych oscyloskopów, różniących się wartością pojemności wejściowej. Przy bliższym przeanalizowaniu rysunku 31 okazuje się, że aby sonda była prawidłowo skompensowana dla różnych pozycji przełącznika czułości toru Y w oscyloskopie, pojemność wejściowa oscyloskopu musi być jednakowa we wszystkich położeniach przełącznika czułości. Wszystkie fabryczne oscyloskopy spełniają ten ważny warunek. Jeśli jednak ktoś próbuje samodzielnie zbudować oscyloskop, bardzo rzadko zwraca uwagę na ten „drobiazg” i potem oscyloskop na każdym zakresie ma inną pojemność wejściową i nie nadaje się do współpracy z sondą 1:10. Ta sprawa jest jeszcze jednym argumentem, przeciwko budowaniu byle jakich oscyloskopów we własnym zakresie. Ściśle biorąc, przy zakupie drogich sond dobrych firm należy zwrócić uwagę, dla jakich pojemności wejściowych oscyloskopu sonda może być skompensowana. Przykładowo sondy Hewlett Packard 1:10 mogą pracować z oscyloskopami o pojemności (tylko) 6...22pF, bo przeznaczone są do oscyloskopów tejże firmy, mających tak małą pojemność wejściową. Oczywiście przy małej pojemności oscyloskopu uzyskuje się także małą pojemność wejściową sondy, wynoszącą kilka pikofaradów. Typowe sondy 1:10, jakie można powszechnie kupić na rynku, nadają się do oscyloskopów o większych pojemnościach (do 40...50pF), jednak uzyskana wartość pojemności wejściowej sondy wynosi nie kilka, ale od kilkunastu do 20 pikofaradów. Stosując typową sondę 1:10 można więc zmniejszyć pojemność obciążającą badany układ 2...3−krotnie. Natomiast zastosowanie sondy 1:100 dobrej firmy pozwoli zmniejszyć szkodliwą pojemność obciążającą układ badany do 2...3pF, czyli nawet ponad dziesięciokrotnie. Dość popularne ostatnio są sondy z przełącznikiem o tłumieniu 1:1 i 1:10. Jest to pożyteczne rozwiązanie, ale zgodnie z podanymi właśnie informacjami, w miarę możliwości należy stale pracować przy tłumieniu 1:10, bo sonda ma wtedy rezystancję (dla prądu stałego) równą 10MΩ i pojemność nie większą niż 20pF. Natomiast w pozycji 1:1 zwierany jest po prostu rezystor (9MΩ), a pojemność wejściowa sondy wzrasta wtedy do 130...160pF! A więc sondę w pozycji 1:1 należy stosować tylko w razie konieczności badania małych sygnałów, o amplitudach rzędu pojedynczych miliwoltów, w punktach układu, gdzie oporność wewnętrzna jest niewielka. Budowa dobrej sondy 1:10 lub 1:100, przenoszącej równomiernie sygnały o częstotliwościach do setek megaherców wcale nie jest łatwa. Dlatego w opisie takich sond zwykle znajduje się informacja, przy jakich największych częstotliwościach może pracować dana sonda bez obawy wprowadzenia znacznego błędu. Na rysunku 32 można znaleźć schemat wewnętrzny sondy 1:100 pokazanej na fotografii na tej stronie. 

Oczywiście nie można skopiować takiej sondy w warunkach domowych, stosując jakiekolwiek elementy – nie tylko podzespoły muszą mieć ściśle określone parametry, ale i szczegóły konstrukcji mechanicznej mają tu duże znaczenie. W każdym razie sonda PM8932 o schemacie z rysunku 32 może pracować przy napięciach do 5,6kV, a jej pasmo przenoszenia sięga kilkuset MHz. Choć dla wielu amatorów sprawa pomiarów przebiegów o częstotliwościach setek megaherców jest nieaktualna, znaczna część Czytelników ma w zakładach pracy i na uczelniach dostęp do oscyloskopów o tak szerokim pasmie przenoszenia. Niewątpliwie oscyloskop o pasmie sięgającym setek megaherców na większości elektroników robi spore wrażenie, ale mając na uwadze powyższe rozważania, trzeba pamiętać, że stosowanie do takiego oscyloskopu zwykłego kabla lub sondy 1:1 nie pozwoli uzyskać wyników lepszych, a może nawet gorsze, niż przy zastosowaniu oscyloskopu z pasmem 20MHz i właściwą sondą.

 

Podsumowanie

 

Przedstawiony materiał ma przekonać każdego użytkownika oscyloskopu, jak ważna jest, bardzo często lekceważona sprawa „kabelków”. Niewłaściwy „kabelek” może nie tylko zaburzyć lub uniemożliwić pracę badanego układu, ale też uniemożliwić wykorzystanie w pełni pasma przenoszenia używanego oscyloskopu. W następnym odcinku zostaną przedstawione dalsze informacje na ten temat. W poprzednim odcinku omówione były podstawowe właściwości sond oscyloskopu. Niektóre zagadnienia zawarte w niniejszym odcinku przeznaczone są dla nieco bardziej zaawansowanych, dotyczą bowiem zagadnień, których zrozumienie wymaga pewnego przygotowania i wiedzy. Nikomu jednak nie sprawi trudności przyswojenie sobie wniosków, wynikających z przeprowadzonej analizy.

 

Parametry sondy oscyloskopowej 

 

W poprzednim odcinku wyjaśniono w ogólnym zarysie, jak duże znaczenie ma zrozumienie parametrów sondy oscyloskopu, zwłaszcza kwestii pojemności wejściowej. Przyjrzyjmy się bliżej tej sprawie. Na rysunku 33 przedstawiono parametry katalogowe pewnej sondy 1:1, a konkretnie przebieg rezystancji i reaktancji wejściowej. 

Taka sonda w rzeczywistości jest po prostu odcinkiem kabla współosiowego, zakończonym z jednej strony zgrabnym chwytakiem, a z drugiej wtykiem BNC. Mniej więcej takie parametry ma też metrowy odcinek kabla współosiowego – takiej prymitywnej „sondy” dość często używa się w praktyce. Dlatego warto przeanalizować ten wykres. Jedna z linii (prosta) określa przebieg reaktancji, czyli oporności pojemnościowej. Tu sprawa jest jasna – ze wzrostem częstotliwości jednostajnie zmniejsza się reaktancja, zgodnie ze wzorem Zdziwienie może budzić druga linia. Przedstawia ona przebieg rezystancji wejściowej sondy w funkcji częstotliwości. Dlaczego ta rezystancja nie jest stała (1MΩ)? Czy to nie jest pomyłka? Nie! Rezystancja wejściowa sondy (a także rezystancja wejściowa samego oscyloskopu, wynosząca 1MΩ dla prądu stałego) rzeczywiście zmniejsza się ze wzrostem częstotliwości. Ściślej biorąc, chodzi o straty w dielektryku – ze wzrostem częstotliwości coraz większa ilość energii „obecnej w przewodzie” zamienia się na ciepło. Inaczej mówiąc, przy większych częstotliwościach z obwodu badanego pobierana jest pewna energia, która zamienia się na ciepło. Te straty są równoznaczne ze zmniejszaniem się rezystancji wejściowej sondy i słusznie traktujemy je jako zmniejszanie się rezystancji. Na marginesie trzeba dodać, że w przypadku reaktancji pojemnościowej nie mówimy o stratach – choć przez reaktancję tę płynie prąd, nie występują tam straty mocy (czynnej). Choć w przypadku przepływu prądu przez reaktancję możemy jedynie mówić o magazynowaniu energii i przesunięciu fazy między prądem a napięciem, a nie o stratach mocy, tym niemniej wpływ dołączenia tej pojemności do badanego układu niewątpliwie jest negatywny. W każdym razie rysunek 33 udowadnia, iż straty te są na tyle znaczne, że taka prosta sonda 1:1 zupełnie nie nadaje się do pracy przy częstotliwościach większych niż 10...20MHz. Rysunek 34 pokazuje przebieg rezystancji i reaktancji jakiejś sondy o tłumieniu 1:10. 

Tym razem, dzięki zastosowaniu „sztuczki” z dzielnikiem, pojemność wejściowa i reaktancja pojemnościowa jest mniejsza; mniejszy jest też wpływ strat rezystancyjnych w dielektryku. W sumie sonda o takich parametrach jest użyteczna w znacznie szerszym paśmie częstotliwości, aż do prawie stu megaherców. Oczywiście przy tak dużych częstotliwościach wypadkowa oporność sondy (wypadkowe połączenie rezystancji i reaktancji) jest mała, ale mając świadomość, jakie dodatkowe obciążenie dla układu stanowi dołączona sonda, można jednak przeprowadzać sensowne pomiary przy częstotliwościach do 100MHz. Rysunek 35 pokazuje charakterystyki sondy 1:100. 

Jak widać, tym razem użyteczny zakres częstotliwości przekracza 300MHz. Charakterystyki sond pokazane na rysunkach 33...35 dotyczą sond starszej produkcji. Dziś produkuje się sondy o lepszych parametrach, współpracujące z oscyloskopami o paśmie przenoszenia sięgającym 500MHz. W artykule celowo przedstawiono wyroby nieco starsze, ponieważ do najnowszego sprzętu ma w naszym kraju dostęp niewielkie grono osób, a artykuł ma być przydatny dla szerokiego grona elektroników, którzy zwykle mają styczność ze sprzętem co najwyżej klasy średniej, ewentualnie starszym sprzętem wyższej klasy. Ale ogólne wnioski są jasne: Dopiero właściwa sonda umożliwia wykorzystanie szerokiego pasma oscyloskopu. Obecnie wiele, jeśli nie większość sond, ma system identyfikacji, dzięki któremu oscyloskop „wie” jakie tłumienie ma dołączona sonda, i może wyświetlać na ekranie aktualne współczynniki odchylania. W praktyce nie zawsze możliwe jest wykorzystanie sondy 1:100, najmniej obciążającej badany układ. Przy pomiarach bardzo małych napięć potrzebna jest sonda o jak najmniejszym tłumieniu. Od lat produkuje się więc tak zwane sondy aktywne, w przeciwieństwie do sond biernych, wymagające źródła zasilania. Najczęściej nie tłumią one, ani nie wzmacniają sygnału. Zbudowane są zazwyczaj na specjalnego typu tranzystorach polowych, dzięki czemu uzyskuje się małą pojemność wejściową. Dla wyeliminowania wpływu kabli, element czynny, tranzystor, umieszcza się w końcówce sondy. Dzięki temu zminimalizowany jest wpływ jakichkolwiek szkodliwych pojemności montażowych. Obecnie produkuje się sondy czynne o oporności wejściowej 1MΩ i pojemności 1pF, pracujące w paśmie do 1GHz. Taka sonda pokazana jest na fotografii. 

Choć wykonanie dobrej sondy czynnej o pojemności wejściowej 1pF jest nie lada zadaniem, jednak w amatorskiej praktyce warto czasami zbudować prostą „sondę aktywną” w postaci wtórnika z tranzystorem polowym złączowym – przyda się w pomiarach urządzeń w.cz. Oprócz pojedynczych sond aktywnych, znane są również różnego typu sondy różnicowe. Ten temat wykracza jednak poza ramy niniejszego artykułu. Należy jeszcze wspomnieć o sondach prądowych. Jak wskazuje nazwa, służą one do pomiaru prądu. Sonda prądowa firmy Fluke pokazana jest na fotografii. 

Sondy prądowe, w przeciwieństwie do zwykłego amperomierza, nie wymagają przecięcia obwodu wstawienia tam niewielkiego rezystora, na którym mierzony byłby spadek napięcia. Sondy prądowe przypominają cęgi – aby zmierzyć prąd w przewodzie wystarczy objąć nimi ten przewód. Niektóre sondy działają na zasadzie transformatora, ściślej przekładnika – mogą mierzyć tylko prąd zmienny. Inne sondy prądowe wykorzystują czujnik Halla – hallotron – dzięki czemu mierzą prądy stałe i zmienne. W starszej literaturze można znaleźć układy przystawek, za pomocą których oscyloskop morze mierzyć inne parametry, na przykład pojemność, charakterystyki elementów półprzewodnikowych, itd. Obecnie przystawki takie nie są używane w praktyce. Jedynym wyjątkiem jest układ do pomiaru indukcyjności i maksymalnego prądu pracy cewek indukcyjnych.

 

Dopasowanie linii i odbicia 

 

W tym śródtytule zostanie wyjaśnione pewne nieporozumienie. W literaturze często spotyka się zalecenie, że przy przesyłaniu sygnałów o większych częstotliwościach należy stosować przewody koncentryczne o rezystancji charakterystycznej 50Ω i zapewnić dopasowanie z obu stron takiej linii przesyłowej. Dlatego wielu elektroników łącząc oscyloskop z badanym układem stosuje zawsze taki koncentryczny przewód, upewniając się, czy rzeczywiście jest to przewód 50−omowy. Zasada jest w swej istocie słuszna, ale należy wiedzieć, jakiego zakresu częstotliwości dotyczy. Należy zacząć od prędkości przesyłania sygnału w takim kablu koncentrycznym. Jest ona nieco mniejsza od prędkości światła i wynosi mniej więcej 20cm/ns Kwestia odbić i dopasowania wtedy będzie odgrywać jakąś rolę, gdy długość przesyłanej fali, albo też czasy przesyłanych impulsów będą porównywalne z czasem przejścia sygnału przez daną linię. Weźmy przewód pomiarowy o długości 1 metra. Sygnał przechodzi przez niego przez około 100cm / (20cm/ns) = 5ns Długość 1m ma fala elektromagnetyczna o częstotliwości około 300MHz. A więc dopiero powyżej częstotliwości 100MHz i przy impulsach krótszych niż 10ns trzeba się zacząć martwić o dopasowanie. Rzeczywiście, oscyloskopy pracujące przy częstotliwościach rzędu kilkuset megaherców, często mają wejście o rezystancji nie 1MΩ, tylko właśnie 50Ω. Do takich oscyloskopów koniecznie trzeba stosować odpowiednie kable, rozgałęźniki, tłumiki i dopasowania. Natomiast w oscyloskopie o paśmie 20MHz czy nawet 50MHz, współpracującym z sondą o długości 1m, problem dopasowania impedancji przewodów praktycznie nie występuje. Ponadto dopasowanie 50−omowego kabla do wejścia o dużo większej rezystancji wcale nie jest sprawą łatwą (jeśli w ogóle możliwą). Wniosek? Przy oscyloskopach o paśmie rzędu kilkudziesięciu megaherców wcale nie jest konieczne stosowanie 50−omowego kabla koncentrycznego w roli prostej sondy 1:1. Dotyczy to zwłaszcza pomiarów przy małych częstotliwościach (do 100kHz). Często się widzi, że elektronik nie ma właściwych sond do oscyloskopu i stosuje zwykłe kable, z jednej strony zakończone wtykiem BNC, z drugiej wprost lutowane do badanego układu. Nader często są to grube, twarde 50−omowe kable koncentryczne. Używanie takich sztywnych kabli to prawdziwa męczarnia. Tymczasem, jeśli pomiary dotyczą tylko małych częstotliwości, do 20...100kHz, śmiało można zastosować krótkie (20cm) kawałki cienkiego i miękkiego przewodu ekranowanego. Różnica między grubym „porządnym” koncentrycznym kablem 50omowym, a takim cienkim i elastycznym przewodem ekranowanym, w zakresie małych częstotliwości są praktycznie żadna. Dlatego przy braku fabrycznych sond 1:10 (które są zalecane w każdej sytuacji), do układów m.cz. można śmiało wykorzystać krótkie odcinki jakiegokolwiek przewodu ekranowanego. 

 

Zakłócenia i błędy

 

W tym miejscu należy jeszcze wspomnieć, że w pewnych sytuacjach nie stosuje się ani żadnych fabrycznych sond, ani „samoróbki” z przewodu ekranowanego, tylko łączy się badany układ z gniazdem wejściowym oscyloskopu za pomocą dwóch krótkich (do 10cm) jednożyłowych przewodów; jedna żyła to masa, druga – sygnał. Jeśli przewody nie są ze sobą skręcone, pojemność takiej „sondy” jest praktycznie żadna, poniżej 1pF, i badany układ obciążony jest tylko pojemnością i rezystancją wejściową oscyloskopu. Takie dwa przewody mogą jednak działać jak antena i zbierać z otoczenia różne „śmieci”, w tym zakłócenia. Dlatego metoda z gołymi krótkimi przewodami może być stosowana przy sygnałach o większej amplitudzie. Przy badaniu małych sygnałów w obecności silnych zakłóceń, zapewne konieczny będzie przewód ekranowany lub koncentryczny. I tu warto zwrócić uwagę na kilka istotnych spraw. Wśród elektroników panuje powszechne przekonanie, że przewód ekranowany całkowicie likwiduje wszelkie problemy z przenikaniem, czy „zbieraniem” zakłóceń z otoczenia. Jest w tym sporo prawdy, ale jak zwykle nie jest to prawda ostateczna. Rzeczywiście, ekranowany przewód, którego ekran jest podłączony do masy układu, nie dopuszcza do środkowej żyły zakłóceń przedostających się przez pole elektrostatyczne i elektromagnetyczne. Ale należy tu jeszcze wziąć pod uwagę wpływ pola magnetycznego. Jak podają mądre książki, żeby wyeliminować wpływ pola magnetycznego, należy zastosować ekran, a właściwie pancerz, stalowy o grubości powyżej 10mm lub miedziany jeszcze grubszy... W praktyce wcale nie jest to potrzebne, trzeba tylko rozumieć pewną ważną sprawę. O ile pod wpływem pola elektrycznego, zakłócenie może się zaindukować w jednym przewodzie, o tyle pole magnetyczne może zaindukować napięcie i prąd tylko w pętli czyli w zwoju lub zwojach. Pętla lub wielozwojowa cewka podłączona do wejścia oscyloskopu może więc pełnić rolę czujnika pola magnetycznego. Na rysunku 36 pokazano trzy sytuacje. 

Rysunek 36a pokazuje jak zrobić pętlę do pomiaru pół magnetycznych. Tymczasem wielu elektroników stosując fabryczną sondę lub przewód ekranowany, nie podłącza do badanego układu masy sondy, tylko dla wygody, do połączenia mas oscyloskopu i układu stosuje oddzielny przewód, jak pokazano na rysunku 36b. Tworzą tym samym większą lub mniejszą pętlę, która zbiera z otoczenia zakłócenia przenoszone przez pole magnetyczne. Należy tu podkreślić, że zakłócenia te nie są duże, i problem pojawia się tylko przy pomiarach małych napięć, rzędu miliwoltów. Przy dużych sygnałach można stosować sposób z rysunku 36b, bo rzeczywiście jest wygodny. Natomiast przy małych sygnałach należy minimalizować powierzchnię pętli tworzonej przez przewód masy, jak pokazano to na rysunku 36c. 

Sprawa połączenia masy ma też bardzo duże znaczenie przy obserwacji krótkich impulsów. Przy niewłaściwym połączeniu, np. wg rysunku 36b, obraz zboczy impulsów będzie zniekształcony i może wprowadzić w błąd obserwatora. Będzie on potem szukał w układzie przyczyny zniekształceń impulsów, gdy tymczasem impulsy w układzie będą prawidłowe, natomiast przyczyną zniekształceń obrazu w oscyloskopie będzie właśnie niepoprawne prowadzenie obwodu masy. Błędne jest także dwukrotne połączenie obwodu masy, tak „na wszelki wypadek”. Dlatego rysunek 37 jest przekreślony. 

W takiej sytuacji ekran kabla i dodatkowy przewód tworzą pętlę. W pętli tej indukuje się prąd, być może o znacznej wartości, który na rezystancji ekranu kabla może wywołać zauważalny spadek napięcia. Przy okazji omawiania zakłóceń warto jeszcze wspomnieć o kolejnej możliwości utworzenia pętli masy. Większość oscyloskopów ma wtyczkę „z uziemieniem”. Bolec uziemiający jest połączony z obudową oscyloskopu, czyli masą. Jeśli używany zasilacz ma takie same połączenie obwodu „uziemienia”, wtedy połączenie przewodami masy zasilacza, masy układu i masy oscyloskopu zamknie takową pętlę. Na problemy z taką pętlą masy można się natknąć bardzo często i nie ma jednoznacznej reguły, jak wtedy postąpić. W każdym razie generalnie należy unikać pętli masy i stosować sposób z rysunku 36c. Wiadomości podane w dwóch ostatnich odcinkach nie wyczerpują wszystkich spraw związanych z praktycznym wykorzystaniem oscyloskopu. Sygnalizują jednak dwa podstawowe zagadnienia: 

– Czy dołączenie oscyloskopu ma wpływ na pracę badanego układu?

– Czy obraz na ekranie dokładnie odwzorowuje przebiegi w badanym układzie? 

Dobry elektronik powinien zdawać sobie sprawę, na ile parametry wejścia oscyloskopu, zastosowanej sondy i sposobu podłączenia, mają wpływ na działanie układu i kształt przebiegów na ekranie.