Čo je osciloskop a mnoho ďalšieho
Osciloskop je jedným z najdôležitejších a najpoužívanejších meracích prístrojov. Jeho podstatou je, že zobrazuje priebeh meraného napäťového signálu v čase. Kým analógový osciloskop umožňoval určovať základné časové a amplitúdové parametre (alebo fázu pomocou režimu X-Y), a to najmä jednoduchým čítaním a prepočítavaním z mriežky obrazovky, digitálne osciloskopy sa stali vo spojení s internými a externými aplikáciami zariadením, ktoré poskytuje veľmi sofistikované nástroje a výsledné výsledky. Možnosti sú teraz také rozsiahle, že by sme nimi možno mohli naplniť knihu.
Na úvod treba povedať, že aj digitálny osciloskop je stále osciloskopom, a teda si zachováva niektoré jeho vlastnosti. Ako taký má svoje limity a jedným z podstatných bodov je použitie dostatočne rýchleho osciloskopu pre daný problém a správne zapojenie. V meranom bode nemeňte pomery tak, aby sa na obrazovke osciloskopu zobrazoval signál zodpovedajúci signálu, ktorý je v danom bode prítomný aj bez pripojeného osciloskopu. Napríklad meranie v spínanom zdroji bez diferenciálnej sondy povedie buď k zničeniu meraného objektu, alebo k uzemneniu príslušného miesta v dôsledku pripojenia uzemnenia osciloskopu k ochrannému vodiču. Takéto výsledky sú potom úplne "zlé".
Meranie osciloskopom
Pri meraní osciloskopom zohrávajú úlohu tri hlavné faktory. Šírka pásma osciloskopu, vzorkovacia frekvencia a rozlíšenie snímača. Osciloskopy sú pre svoju rýchlosť prevodu vybavené 8-bitovými prevodníkmi a v posledných rokoch 12-bitovými prevodníkmi. Vzhľadom na reálne technológie je však počet efektívnych bitov o 1 až 2 bity nižší. Celková presnosť vo vertikálnej osi sa potom udáva v jednotkách percent. Okrem toho je vertikálna os zaťažená aj charakteristikami vstupných obvodov osciloskopu, takže celková presnosť sa udáva v jednotkách percent. Pre frekvencie od 20 % uvedenej šírky pásma je táto chyba rádovo v jednotkách percent. Definícia šírky pásma osciloskopov predpokladá maximálny pokles 3 dB, čo však predstavuje chybu takmer 30 % pri meraní amplitúdy v napäťovej oblasti. Skutočné vstupné charakteristiky sú potom veľmi vzdialené od kriviek ideálnej frekvenčnej charakteristiky podľa rov:
kde AU je indikovaná amplitúda
A je amplitúda signálu
fBW je šírka pásma
Vzorkovacia frekvencia definuje presnosť rekonštrukcie signálu z diskrétnych bodov a určuje, ako rýchlo je osciloskop schopný zobraziť zmenu. Podvzorkovaný signál (chyba typu aliasing) rekonštruuje signál zle, hrany sa rekonštruujú so zalomeniami (podobné zalomenia sa objavia aj pri použití korekcií DSP na najrýchlejších osciloskopoch). Úlohu tu zohráva aj všadeprítomný parameter šírky pásma, najmä pri meraní rýchlosti na hranách. Keďže vstupy osciloskopu majú kvôli svojej impedancii vlastnú časovú konštantu, do výsledku merania sa započítava vlastný čas nábehu osciloskopu.
Výsledný čas nábehu (alebo poklesu) hrany je vyjadrený vzťahom:
kde ts je skutočný čas nábehu
fBW je šírka pásma
Výsledné skreslenie výsledku možno považovať za maximálnu možnú chybu, pretože šírka pásma sa zvyčajne udáva s rezervou, ktorá chybu znižuje. V prípade, že merací prístroj obsahuje sondu, do predchádzajúceho vzťahu by sa mal zahrnúť člen.
S výhodou možno túto chybu celého reťazca merať a prípadne vo výsledku eliminovať. Na obrázku 1 je signál s hranou približne 200 ps nameraný ako 1,243 ns (1 ns je oneskorenie spôsobené 350 MHz BW osciloskopu). Na obrázku 1 je signál s hranou približne 200 ps nameraný ako 1,243 ns (1ns je oneskorenie spôsobené BW 350 MHz osciloskopu) s priamym káblovým pripojením SMA a impedančnou koncovkou 50 Ohm.
Na obrázku 2 je zobrazené skreslenie meraného signálu po pripojení pasívnych sond 500 MHz (kanál 3) a 200 MHz na kanáli 2 (modrý priebeh) má hranu zjavne najpomalšiu (teoreticky +2 ns). Ako je ďalej vidieť na obr. 2, pôvodne optimálny signál s rýchlou hranou je po pripojení 500 MHz a 200 MHz sond úplne skreslený zmenou impedancie celého meracieho obvodu. Ak teda meriame na ceste signálu (tu ideálny prívod kábla SMA) nesprávnou metódou, zmeníme pôvodne bezchybný signál v obvode na signál, ktorý s veľkou pravdepodobnosťou neumožní správnu činnosť zariadenia. Chyba merania veľmi závisí od použitého obvodu, nastavenia osciloskopu a meraného signálu.
Funkcie osciloskopu a výber osciloskopu
Súčasné možnosti meracích funkcií sú veľmi rozsiahle. Meranie základných parametrov, ako je perióda, frekvencia, nábežná a odstupová hrana, šírka impulzu, je už v najlacnejších modeloch, zatiaľ čo vyššie triedy pridávajú štatistické funkcie, histogramy, vyhodnocovanie trendov. Z pohľadu používateľa je však niekedy veľmi ťažké vystopovať, kde sa daná hodnota meria. Príkladom môže byť napríklad meranie rýchlosti nábežnej hrany. Ak je v pamäti osciloskopu zaznamenaných napríklad 100 hrán, ktorá hrana sa vlastne meria? Bohužiaľ, to závisí od výrobcu. Najčastejšie sa však merania vykonávajú buď na prvej hrane v pamäti, alebo na prvej hrane na obrazovke. Lepšie osciloskopy umožňujú zapnúť indikátory, ktoré ukazujú, kde prebieha meranie, a zároveň ponúkajú určitú metódu merania v definovanom bode. Pretože detaily robia rozdiely, inteligentný osciloskop spoznáte napríklad tak, že vyberiete oblasť, kde chcete vykonať meranie efektívnej hodnoty. Digitalizácia tiež výrazne rozšírila možnosti vytvárania matematických kanálov. Základné modely neponúknu viac ako súčet, rozdiel, súčin kanálov plus prípadne FFT (pozri ďalej). Stredná trieda môže ponúknuť vytvorenie rovnice pomocou nameraných parametrov, konštánt, viacerých matematických operácií aj medzi viacerými kanálmi - mocniny, odmocniny, goniometrické funkcie, integrál a deriváciu. Pri derivácii veľmi často výsledok na prvý pohľad nezodpovedá predstave, tu sa bohužiaľ opäť prejavuje efekt nízkeho rozlíšenia, šum prevodníkov tu robí veľké škody. Najčastejšie sa na meranie výkonu používa matematika. Ide o pomerne zaujímavú a rozsiahlu problematiku. Pri meraní spínacieho výkonu rýchlych polovodičov a iných podobných úlohách je základným problémom časové oneskorenie medzi napäťovou a prúdovou cestou (prúdová sonda má zvyčajne dlhší čas šírenia).
Rozdiely v nameraných hodnotách môžu dosiahnuť stovky percent. Najlepšie osciloskopy ponúkajú špeciálne pripravené analytické meracie nástroje práve na analýzu výkonu, jitter, meranie očného diagramu. Môžete mať viacero matematických kanálov a používať matematický kanál v rámci matematického kanála.
Jednou z prvých komplexných funkcií, ktorá bola implementovaná v osciloskopoch, je FFT, rýchla Fourierova transformácia. Tá sa teraz objavuje ako štandard v nižších triedach osciloskopov. Rozdiel možno nájsť najmä v počte bodov, z ktorých osciloskop počíta FFT, a v možnostiach vytvárania okien, zväčšovania a merania nad týmto matematickým kanálom. Veľmi často je FFT obmedzená len na malú časť akvizičnej pamäte. Hodnota informácií spektrálnej analýzy je určená počtom bodov, ktoré sa majú v osciloskope vypočítať (vo všeobecnosti to musí byť 2n, čím viac, tým lepšie rozlíšenie vo frekvenčnej oblasti), potom počtom periód signálu, ktoré sa majú vypočítať (pri 2n vzorkách by to mal byť celočíselný počet periód, čo je v osciloskope takmer nemožné. Inak spravidla stačí jedna celá perióda, ale ak vzorkujeme 1,5 periódy, táto polovica periódy je vlastne navyše a zaťaží výpočet chybou. Preto je potrebné nastaviť časovú základňu tak, aby výpočet FFT prebiehal v priebehu niekoľkých desiatok periód. Čím menej periód, tým väčší dôraz na použitie okien na korekciu tejto neceločíselnosti periód). Zaujímavé je aj to, že keď majú osciloskopy FFT, prvá (a niekedy jediná) stupnica, ktorá sa objaví, je v decibeloch. Táto stupnica je veľmi vhodná pre VF aplikácie, ale pri osciloskopoch dobrý pocit kazí množstvo šumu spôsobené malým počtom efektívnych bitov prevodníkov. Niekedy je teda lepšie nastaviť stupnicu na lineárnu, ak nie z iného dôvodu, tak len preto, že decibely nie sú pre väčšinu bežných používateľov elektroniky veľmi rýchle. Škálovanie v mV je pre nich priateľskejšie. Na obrázku 3 je znázornený obdĺžnikový priebeh zložený z 1, 3 a 5 harmonických zložiek. Vykonaná FFT správne zobrazuje jednotlivé amplitúdy, pričom kurzíva dva je umiestnená na konci analyzovaného spektra - 1,25 GHz. To zodpovedá vzorkovacej vete, osciloskop má vzorkovaciu frekvenciu 2,5 GSa/s. Obraz je však aj pri druhom bočnom pohľade - ak do osciloskopu so šírkou pásma 500 MHz privedieme obdĺžnikový 100 MHz signál, zobrazený signál na obrazovke bude vyzerať podobne. Vstupnými obvodmi prejde len 1., 3. a 5. harmonická. Ostatné harmonické budú systémom utlmené. Alternatívne sa na zníženie šumu môže použiť jedna z metód priemerovania. Pomocou externého matematického spracovania možno z údajov osciloskopu vytvoriť aj vektorový analyzátor s podporou fázového spektra, demodulácie atď. Špecializované vektorové/spektrálne analyzátory sú však vybavené prevodníkmi s vyšším rozlíšením, takže "kvalita" výsledkov je na vyššej úrovni. Aj napriek tomu má osciloskop v tejto oblasti niekedy výhodu vďaka rýchlosti vzorkovania a hĺbke pamäte.
