Oscyloskop cyfrowy - jaki wybrać?

Oscyloskop to jedno z podstawowych narzędzi elektronika. Dzisiaj te urządzenia najczęściej występują w wersji cyfrowej, co daje nam mnóstwo dodatkowych funkcji. Na co zwrócić uwagę przy zakupie?

Czym jest oscyloskop cyfrowy?

To przyrząd, który umie tworzyć wykres napięcia w funkcji czasu. Jeżeli posiada dwa kanały wejściowe, może tworzyć wykresy XY, czyli jednego napięcia w funkcji drugiego. Taka reprezentacja napięcia - na ekranie, a nie na podziałce woltomierza - umożliwia znacznie dokładniejszą diagnostykę układu elektronicznego.

Przydomek “cyfrowy” oznacza, że napięcie jest próbkowane, czyli mierzone w ściśle określonych odstępach czasu, zaś te próbki są później przetwarzane na postać cyfrową przez wbudowany przetwornik analogowo-cyfrowy. Odpowiedni układ sterujący wyświetla je na ekranie, najczęściej LCD. Dawniejsze oscyloskopy analogowe miały specjalną lampę, w której napięcie wejściowe odchylało wiązkę elektronów.

Przekształcenie badanego sygnału na jego cyfrową postać niesie za sobą szereg zalet. Przede wszystkim, ciąg próbek można zapisać w pamięci, a potem odtworzyć w dowolnym innym momencie. Można je też poddać obróbce, na przykład filtracji lub obliczyć na ich podstawie widmo amplitudowe oraz fazowe. Służy do tego szybka transformata Fouriera (FFT).

Do czego może się przydać?

W przypadku układów analogowych, oscyloskopem możemy obejrzeć zniekształcenia wprowadzane przez układ lub wyłapać je na wykresie widma. Można też zmierzyć amplitudę sygnałów, częstotliwość, ocenić ich kształt, obliczyć wartość skuteczną albo zmierzyć opóźnienie. Po sprzęgnięciu z generatorem sygnałowym, przy pomocy oscyloskopu możemy wykreślić charakterystykę amplitudową, która jest kluczowa do oceny pasma przenoszenia.

Dla osób zajmujących się układami cyfrowymi oscyloskop również jest nieodzownym narzędziem. Pozwala zmierzyć czas narastania i opadania sygnału, jego wartość minimalną i maksymalną, a także częstotliwość, wypełnienie i przesunięcie czasowe między dwoma sygnałami. Dzięki temu można łatwo znaleźć przyczynę braku poprawnego działania urządzenia, jeżeli znajduje się ona w warstwie sprzętowej, a nie w oprogramowaniu.

Podstawowe parametry

Na rynku mamy wiele różnych oscyloskopów, a każdy z nich ma inne parametry. Przyjrzyjmy się tym najistotniejszym, które mają wpływ na cenę oraz użyteczność przyrządu.

Maksymalna częstotliwość próbkowania

Wyrażana jest w próbkach (ang. sample) na sekundę. Dzisiejsze niedrogie oscyloskopy osiągają 100MSa/s czy 200MSa/s. Te droższe liczą już miliardy próbek na sekundę, na przykład 4GSa/s. Od tej wartości zależy maksymalna częstotliwość analizowanego sygnału oraz dokładność jego odwzorowania na ekranie. Im wyższa tym lepiej, choć przyrząd staje się droższy.

Ograniczenie stanowi kryterium Nyquista, według którego maksymalna częstotliwość próbkowanego sygnału nie może być wyższa niż dwukrotność częstotliwości próbkowania. Czyli oscyloskopem o próbkowaniu 100MSa/s nie da się poprawnie obejrzeć przebiegów, które posiadają składowe o częstotliwości wyższej niż 50MHz - to blokuje sama fizyka, której nie ominie nawet najbardziej zmyślny producent sprzętu.

Maksymalna częstotliwość wejściowa

Drugi parametr, który chcielibyśmy zmaksymalizować. Na pewno będzie mniejszy niż połowa częstotliwości próbkowania, co blokuje przytoczone już kryterium Nyquista. Tutaj ograniczenie wprowadza tor analogowy przyrządu, który “nie wyrabia się” powyżej określonej częstotliwości.

Im większy naddatek jednej wartości (częstotliwości próbkowania) nad drugą (częstotliwości sygnału) tym lepiej - sygnały będą odtwarzane wierniej. Na potrzeby badania układów audio oscyloskop o częstotliwości wejściowej rzędu 1MHz będzie wystarczający - wprawdzie one pracują do kilkudziesięciu kiloherców, lecz trzeba mieć pewien zapas, aby móc wychwycić ewentualne wzbudzenie.

Przy badaniu układów impulsowych, jak zasilacze, przetwornice i wzmacniacze w klasie D, za rozsądne minimum proponuję przyjąć 25MHz. To pozwoli na obejrzenie sygnałów wraz z (przynajmniej kilkoma) harmonicznymi.

Badanie szybkich układów cyfrowych lub analogowych oraz dokładniejsze pomiary w układach impulsowych wymagają jeszcze szybszego przyrządu. Przyjmuje się, że maksymalna częstotliwość wejściowa oscyloskopu powinna być 5 razy większa niż częstotliwość podstawowa sygnału prostokątnego. Jednak im więcej harmonicznych będziemy mogli zaobserwować, tym dokładniej będzie można zmierzyć np. czas narastania. Dlatego osobom na co dzień zajmującymi się układami cyfrowymi będą potrzebne przyrządy o częstotliwości maksymalnej 100MHz i wyższej.

Liczba kanałów

Im więcej, tym lepiej - można obserwować więcej sygnałów jednocześnie. Typowe oscyloskopy mają 2 kanały, bardziej rozbudowane 4. Rozróżnia się je na ekranie odpowiednimi kolorami.

Większa liczba kanałów jest przydatna przy badaniu bardziej złożonych układów, na przykład zawierających magistrale równoległe. Trzeba przy tym uważać na częstotliwość próbkowania każdego z kanałów. Niektóre oscyloskopy używają jednego układu przetwarzania analogowo-cyfrowego do wszystkich kanałów, co wiąże się z rzadszym próbkowaniem.

Funkcje dodatkowe

Samo wyświetlanie oscylogramów nie jest jedyną funkcją oscyloskopów cyfrowych. Do podstawowych działań na przebiegach należą ich odejmowanie, dodawanie oraz obliczanie widma przy użyciu FFT.

W codziennej praktyce elektronika przydają się różnorakie funkcje do pomiaru charakterystycznych wartości sygnału, a najbardziej użyteczną z nich jest wartość skuteczna. Zapis oscylogramu na pamięci USB czy podłączenie do komputera również nie stanowią problemu dla dzisiejszych maszyn.

Niektóre oscyloskopy są wyposażone w specjalizowane funkcje, na przykład służące analizie danych transmitowanych przez magistralę CAN, używaną w samochodach.

Pojemność pamięci

Im więcej pamięci ma oscyloskop, tym większą liczbę próbek może w niej przechować. Ta funkcja przydaje się zwłaszcza na potrzeby algorytmu FFT, ponieważ ta wartość bezpośrednio przekłada się na rozdzielczość uzyskanej w ten sposób transformaty.

Co jest w sprzedaży?

Na rynku mamy wiele różnych oscyloskopów, a każdy z nich znajdzie zastosowanie gdzie indziej.

Oscyloskopy kieszonkowe

Zwane również przenośnymi. To niewielkie urządzenia z wbudowanym zasilaniem akumulatorowym. Cechują się małymi gabarytami, a także łatwo można je przekształcić w zwykły multimetr - służy do tego odpowiedni przycisk.

Tego typu przyrządy znajdą zastosowanie zwłaszcza podczas pracy w terenie. Są na tyle poręczne, że można ich używać nawet stojąc na drabinie.

Oscyloskopy stacjonarne

Mają większe ekrany niż ich przenośne odpowiedniki, a także większą liczbę kanałów oraz wyższe częstotliwości próbkowania. Również układ przycisków i pokręteł jest bardziej ergonomiczny, przez co łatwiej jest ich używać na co dzień w pracowni.

/oscyloskop-cyfrowy-ut2025c.html

/oscyloskop-70mhz-4-kanaly-upo2074cs.html

/oscyloskop-cyfrowy-uni-t-utd4202c.html

Układy do samodzielnego montażu

Chcąc mieć oscyloskop za znacznie niższe pieniądze, można włożyć w jego budowę nieco pracy. Powstały w ten sposób przyrząd nie będzie miał tak rewelacyjnych parametrów jak fabryczny odpowiednik, za to frajda z jego budowy będzie znacznie większa. Wśród tego typu układów można znaleźć również urządzenia posiadające większe możliwości, na przykład z wbudowanym generatorem sygnałowym oraz analizatory stanów logicznych.

Podsumowanie

Oscyloskop jest potrzebny każdemu elektronikowi. Jednak od profilu jego działalności zależy to, jakiego sprzętu potrzebuje. Niektórzy mają kilka oscyloskopów w swojej pracowni - jeden do używania na co dzień oraz specjalizowany, włączany tylko podczas wykonywania specyficznych pomiarów np. szybkozmiennych przebiegów w układach mikrofalowych.