poslední úprava těchto stránek
10.květen 2018


Jak si vybrat osciloskop



Analogový nebo digitální osciloskop?

Mnoho lidí, kteří pracují v elektronice stále používá analogový osciloskop. A mnoho jiných používá digitální osciloskop. Velmi často však mají vývojáři v elektronice oba osciloskopy, jak analogový, tak digitální.

Analogový osciloskop má několik docela podstatných výhod, které digitální osciloskop nemůže splnit. Analogový osciloskop ukazuje reálný stav signálu v reálném čase, ukazuje spojitý průběh měřeného signálu. Naopak nedostatkem analogového osciloskopu je paměť. Pokud nemáte paměťový analogový osciloskop, pak je obtížné až skoro nemožné pozorovat náhodné jevy.

V dnešní době je již velmi málo firem, které vyrábějí analogové osciloskopy. Důvod je ve vysokých výrobních nákladech. Analogový osciloskop musí být seřízen, kalibrován. Naproti tomu digitální osciloskop je výrobně jednoduchý, levný a dokáže jej vyrobit téměř každá i malinká firma.

Digitální osciloskop má oproti analogovému osciloskopu výhodu v tom, že si dokáže zapamatovat naměřený signál a to často v dost dlouhém časovém úseku. Nevýhodou digitálního osciloskopu, oproti analogovému, je, že digitální osciloskop neukazuje skutečný reálný průběh signálu a ani jej neukazuje v reálném čase. Toto plyne z podstaty funkce digitálního osciloskopu. Digitální osciloskop měřený signál vzorkuje, tedy snímá z něj vzorky v určité časové periodě. Mezi každým sejmutým vzorkem je časová prodleva, v které digitální osciloskop nezná průběh signálu a nemůže jej ukázat.

Za mé dlouholeté praxe jsem pracoval s mnoha analogovými osciloskopy a několik jich stále vlastním. Když se rozhodnete pořídit si analogový osciloskop, obvykle koupíte použitý osciloskop. Při jeho pořízení mějte na paměti cenu, značku, dostupnost servisní dokumentace a případně dostupnost náhradních dílů a možnosti opravy. Dalším hlediskem při výběru analogového osciloskopu je kmitočtový rozsah (šířka pásma) vertikálních zesilovačů. Ten se udává pro sinusový signál s poklesem -3dB (to je na 70.7% skutečné amplitudy). Jednoznačně doporučuji volit analogový osciloskop od firem Tektronix, popřípadě Hewlett Packard nebo Philips. Kupovat si dnes cokoliv jiného (Tesla, RFT, ap.) je marnotratné vyhazování peněz.

Jaký digitální osciloskop

Na trhu jsou tisíce různých modelů digitálních osciloskopů nejrůznějších značek a provedení. Jaký si vybrat? Prvním hlediskem bude, zda osciloskop má mít vlastní obrazovku nebo zda se bude jednat o PC digitální osciloskop, který ke svému provozu potřebuje PC počítač. PC digitální osciloskop je obvykle krabička, která se připojí přes USB k PC počítači, v kterém je instalován obslužný software. Výhodou je velká obrazovka, nevýhodou je nutnost mít PC počítač nebo notebook. Naproti tomu standardní digitální osciloskop tzv. "stolní" model, má vlastní obrazovku a často též USB port pro připojení na PC počítač.

Dalším hlediskem bude kmitočtový rozsah, tedy šířka pásma vstupních analogových zesilovačů. Šířka pásma se udává stejně jako pro analogový osciloskop a sice pro sinusový signál s poklesem -3dB (to je na 70.7% skutečné amplitudy). U digitálního osciloskopu však na rozdíl od analogového, není šířka pásma zárukou, že digitální osciloskop zobrazí signál. Cílem výrobců digitálních osciloskopů je dosáhnout specifické frekvenční odezvy, která se vyjadřuje zkratkou MFED (Maximally Flat Envelope Delay). Protože digitální osciloskop je sestaven ze zesilovačů, útlumových členů, AD převodníků, různých propojení, je možnost dosáhnutí MFED jen omezená.

Je dobré připomenout, že šířka pásma je udávána pro čistý sinusový signál. Jiný než sinusový signál totiž obsahuje ještě harmonické základního signálu. Pokud váš měřený signál bude například 20 MHz s obdélníkovým průběhem, pak na digitálním osciloskopu s šířkou pásma 20 MHz uvidíte signál utlumený a zkreslený. Je proto potřeba volit osciloskop s šířkou pásma alespoň 5x vyšší, než je frekvence měřeného signálu.

Kromě toho, u mnoha digitálních osciloskopů udávaná šířka pásma není platná pro všechny napěťové rozsahy vstupního signálu. Také toto je třeba mít na paměti.


Vzorkovací rychlost

U analogového osciloskopu to bylo snadné - vybrala se šířka pásma. U digitálního osciloskopu to tak snadné není. Dalším podstatným údajem je vzorkovací rychlost a hloubka paměti. Vzorkovací rychlost se udává v Megasamplech / sec (MS/s) nebo v Gigasamplech / sec (GS/s). Nyquistovo kritérium říká, že vzorkovací rychlost musí být minimálně dvojnásobná než je maximální frekvence měřeného signálu. To je pravda pro spektrální analyzátor. Avšak digitální osciloskopy vyžadují minimálně 5 vzorků, aby bylo možno rekonstruovat měřený signál.

Většina digitálních osciloskopů má dvě vzorkovací rychlosti, podle toho, jaký je měřený signál: real-time vzorkování a equivalent-timer vzorkování (EET), které se často nazývá opakované (repetitive) vzorkování. Ovšem EET vzorkování se používá pouze, když měřený signál je stabilní a opakující se, protože vytváření průběhu vzniká postupně.

Některé digitální osciloskopy mají vzorkovací rychlost závislou na počtu použitých kanálů. Použijí-li se dva kanály, vzorkovací rychlost klesne na polovinu, než když je použit pouze jeden kanál. Toto je vždy potřeba ověřit z dokumentace.


Paměť

Hloubka paměti je další důležitou informací při rozhodování a volbě modelu digitálního osciloskopu. Digitální osciloskop uchovává zachycené vzorky měřeného signálu ve vyrovnávací paměti. To znamená, vzorkovací rychlost určuje, jak dlouhou dobu dokáže digitální osciloskop zachytávat vzorky, než se jeho paměť zahltí.

Vztah mezi vzorkovací rychlostí a hloubkou paměti je důležitá informace. Osciloskop s vysokou vzorkovací rychlostí a malou hloubkou paměti bude schopen měřit signál jen po velmi krátkou dobu.


Příklady

Abychom si udělali představu o vztazích mezi šířkou pásma, vzorkovací rychlostí a hloubkou paměti, uvedu několik příkladů z praxe. Předpokládejme, že budeme potřebovat změřit signál obdélníkového průběhu o frekvenci 12 MHz po dobu 1 msec.

šířka pásma - abychom změřili signál o frekvenci 12 MHz, budeme potřebovat osciloskop s šířkou pásma minimálně 50 MHz, raději 60 MHz. Bude-li mít náš osciloskop menší šířku pásma než 50 MHz, bude ukazovat měřený signál silně zkreslený.

vzorkovací rychlost - abychom mohli rekonstruovat měřený signál, potřebujeme minimálně 5 vzorků z průběhu. Tedy při frekvenci 12 MHz to je vzorkovací rychlost alespoň 60 MS/s.

hloubka pamětí - zachytávaná data při vzorkovací rychlosti 60 MS/s po dobu 1 msec vyžadují paměť pro 60 000 vzorků.


Rozlišení a přesnost

V digitální elektronice, změna signálu o 1% obvykle není žádný problém. Naproti tomu v audio elektronice zkreslení o 0.1% bývá dost vážný problém. Většina moderních digitálních osciloskopů je optimalizována na měření rychlých digitálních signálů a poskytují rozlišení 8 bitů (AD převodník s rozlišením 8 bit). To dovoluje zachytit změnu signálu o 0.4%.

S rozlišením 8 bitů je vstupní signál rozdělen na 256 vertikálních schodů (256 = 28). Při zvoleném rozsahu ± 1V tak dostaneme roszlišení schodu 8 mV. To může být postačující pro pozorování digitálních signálů, ale ne právě dostatečné pro zobrazování analogových signálů nebo pro spektrální analýzů (pokud je digitální osciloskop touto funkcí vybaven).

Pro měření analogových signálů (audio elektronika, šum, vibrace, monitorování čidel teploty, proudu, tlaku ...) digitálním osciloskopem budeme muset zvolit osciloskop, který má 12- nebo 16-bitové vstupní AD převodníky.

Přesnost digitálních osciloskopů obvykle není příliš významný údaj. S osciloskopy s rozlišením 8-bitů můžete měřit s přesností 3% až 5%. S osciloskopy 12-bitů nebo 16-bitů dosáhnete mnohem přesnějších měření (okolo 1%).


Úrovně spouštění

Funkce spouštění osciloskopu (tzv. "trigger") synchronizuje horizontální rozkmit ke správnému bodu signálu. To je důležité, aby průběh byl jasný, čistý. Obvody, které řídí spouštění umožňují stabilizovat opakující se signály a zachycovat jednorázové signály.

V závislosti na druhu měřeného signálu je rozhodující volba spouštění. Všechny digitální osciloskopy nabízejí stejné základní volby spouštění (zdroj, úroveň, pre/post ...), ale liší se obvykle ve speciálních spouštěcích funkcích. Při výběru osciloskopu je proto vhodné prozkoumat, jaké speciální spouštěcí funkce vybíraný osciloskop nabízí.


Vstupní rozsahy a sondy

Standardní osciloskop nabízí volitelný rozsah od ±50mV do ±50V. Vyšší napětí lze měřit pomocí přepínatelných sond s útlumem 10:1 nebo 100:1. Je důležité si ověřit, zda vybíraný osciloskop má napěťový rozsah pro malé signály, které chcete měřit. Pokud měříte malé signály, také menší než 50 mV, měli by jste zvolit 12-bitový nebo 16-bitový osciloskop. Osciloskop s 16-bitovým rozlišením má 256-krát lepší vertikální rozlišení než 8-bitový digitální osciloskop. To umožňuje zobrazit v lupě milivoltové a mikrovoltové signály.

Ověřte si, zda sondy mají dostatečnou šířku pásma pro signály, které chcete měřit. U některých osciloskopů bývají ve vybavení z úsporných důvodů pouze základní sondy s nedostatečnou šířkou pásma a kvalitní sondy nutno koupit zvlášť. Většina osciloskopických sond je přepínatelných mezi útlumem 1:1 a 1:10. Pokud je to možné, používejte rozsah 1:10, protože sonda pak mnohem méně zatěžuje měřený obvod.

Pro signály s frekvencí nad 200 MHz, jsou pasivní sondy již problematické vzhledem ke kapacitě kabelu od sondy k osciloskopu. Samozřejmě, existují specielní pasivní sondy pro mnohem vyšší kmitočty než 200 MHz, ale jejich ceny jsou závratné. V tomto případě se již vyplatí investovat do aktivní FET sondy, která má vstupní zesilovač v hrotu sondy.

Pro měření vysokých napětí, napřklad ±100V, síťových napětí, anebo při měření na spínaných zdrojích nbo 3-fázových sítích je vhodné s ohledem na bezpečnost použít izolovanou diferenciální sondu.