Oscyloskop - co to jest i do czego służy?

020 / Oscyloskop - co to jest i do czego służy?

Oscyloskop to przyrząd elektroniczny służący do tworzenia wykresu napięcia w funkcji czasu. Taki wykres nazywamy oscylogramem. Współczesne oscyloskopy mają jednak znacznie więcej funkcji!

//zdjęcie pracującego oscyloskopu cyfrowego (020_01.jpg)

Do czego służy oscyloskop?

Podstawowa rola oscyloskopu to pomiar napięcia na wejściu i ustawianie zebranych wyników w postaci krzywej na wykresie. Wykres ten jest tworzony na ekranie oscyloskopu i może zostać zapamiętany lub zapisany. W starszych, analogowych oscyloskopach, oscylogramy były tworzone na ekranie lampy oscyloskopowej, która budową przypomina telewizyjny kineskop. Jedyną formą utrwalenia tego obrazu było zrobienie zdjęcia aparatem fotograficznym. Niezależnie od realizacji, ekran oscyloskopu jest podzielony kratką, tzw. podziałką.

//zdjęcie podziałki na ekranie oscyloskopu lub screen z przyrządu bez żadnego przebiegu
(020_02.jpg)

Oscyloskop tworzy wykresy przy określonej czułości toru Y oraz zadanej podstawie czasu. Te parametry są niezbędne do tego, aby móc cokolwiek odczytać z oscylogramu. Bez nich, uzyskany wykres jest jedynie ładnym (lub nie), niewiele mówiącym obrazkiem.

Czułość

Czułość toru Y mówi o tym, ile woltów sygnału wejściowego przypada na jedną działkę. Odczytując napięcie w danym punkcie czasu, przelicza się to proporcjonalnie. Na przykład, mając ustawioną czułość 1V/div i przebieg o wartości międzyszczytowej (czyli odległości między najniższym a najwyższym punktem) równej 2,5 działki, oznacza to, że ta wartość, wyrażona w woltach, wynosi 2,5div * 1V/div = 2,5V. Wartość tego parametru może wynosić od 1mV/div (a nawet mniej) do 100V/div (a nawet więcej).

Podstawa czasu

Podstawa czasu mówi o rozciągnięciu wykresu na osi X. Na przykład, jeżeli okres sygnału zajmuje 3 działki (licząc w poziomie), a wiemy, że podstawa czasu wynosi 10ms/div, to ten okres ma wartość 3div * 10ms/div = 30ms. We współczesnych oscyloskopach, podstawa czasu może wynosić od 1ns/div (lub mniej) do 800s/div (lub więcej).

//zdjęcie okienka oscyloskopu z oscylogramem i dorysowanymi dwiema strzałkami: jedna, poziomo, skierowana w prawo z opisem „podstawa czasu”, a druga, pionowa, skierowana w górę z opisem „czułość”

Sonda oscyloskopowa

Sygnał napięciowy doprowadza się do oscyloskopu przy użyciu sondy oscyloskopowej. W najprostszym wydaniu, zawiera w środku rezystor oraz kondensator o regulowanej pojemności (tzw. trymer). 

Jej zadaniem jest zmniejszenie wpływu pojemności wejściowej oscyloskopu oraz przewodu łączącego go z sondą na badane układy. Wada to 10-krotne zmniejszenie wartości mierzonych napięć, lecz to mogą skompensować wzmacniacze wbudowane w oscyloskop. Rolą kondensatora zmiennego jest dokładne dostrojenie sondy do oscyloskopu, z którym ma współpracować.

//zdjęcie sondy oscyloskopowej
(020_03.jpg)

Wiele wejść

Nowoczesne oscyloskopy mają kilka wejść, zazwyczaj dwa lub więcej, a poszczególne sygnały są wówczas rozróżniane na ekranie kolorami. Można nadać tym wejściom różne czułości, lecz podstawa czasu zawsze jest wspólna dla wszystkich wykreślanych jednocześnie przebiegów.

Inne funkcje

W oscyloskop są wbudowane inne użyteczne funkcje, jak kursory ułatwiające pomiar wartości przebiegów, zarówno w osi X, jak i Y. Wiele parametrów oscyloskop może obliczyć samodzielnie, na przykład częstotliwość sygnału okresowego, jego wartość średnią, amplitudę, wartość skuteczną, przesunięcie fazowe między sygnałami i wiele, wiele innych.

//zdjęcie okienka oscyloskopu z ustawionymi kursorami
(020_04.jpg)

Analiza widmowa (FFT)

Oprócz rysowania wykresów w funkcji czasu, nowoczesne oscyloskopy cyfrowe mają wbudowane narzędzia matematyczne do widmowej analizy mierzonych przebiegów. Oznacza to, że tworzony jest na ekranie wykres amplitudy w funkcji częstotliwości (widmo amplitudowe Fouriera), a nie w funkcji czasu. Taka analiza, realizowana najczęściej algorytmem FFT (pod taką nazwą można ja najczęściej znaleźć), ułatwia pomiar zawartości harmonicznych w sygnale albo jego odkształcenia lub poszukiwanie zakłóceń od układów pracujących na innych częstotliwościach.

//zdjęcie wykresu FFT na oscyloskopie
(020_05.jpg)

Połączenie z komputerem

Nowoczesne oscyloskopy mają wiele interfejsów. Na przykład, umożliwiają zapis oscylogramu na zewnętrznej pamięci USB lub połączenie z komputerem również poprzez USB.. 

Wbudowane filtry

Można też włączyć filtry dolnoprzepustowe sygnału wejściowego, które usuną część szumu i zakłóceń, poprawiając czytelność przebiegu.

//screen oscylogramu przed i po włączeniu filtra wejściowego (lub na dwóch kanałach, aby różniły się kolorami)

Wyzwalanie (trigger)

Z oscyloskopem związane jest pojęcie wyzwalania, czyli rozpoczęcie tworzenia wykresu na ekranie. Im bardziej rozbudowany jest przyrząd, tym więcej funkcji pod tym względem posiada, lecz podstawowe zawsze działają tak samo. Można ustawić wyzwalanie od zewnętrznego źródła sygnału (podając go na specjalne wejście, zazwyczaj opisane jako „external trigger”) albo od samego mierzonego sygnału. Wyzwolenie może zachodzić, na przykład, po przekroczeniu wartości ustawianej pokrętłem z odpowiednią pochodną (na zboczu narastającym lub opadającym).

//screen menu wyzwalania z jakiegoś oscyloskopu
(020_06.jpg)

Taka funkcja ułatwia wykreślenie stabilnego wykresu przebiegu okresowego, który nie będzie drżał na boki. Prawidłowe ustawienie parametrów wyzwalania to złożone zagadnienie, lecz często oscyloskopy mogą ustawić je automatycznie, aby użytkownik widział na ekranie to, co jest dla niego najważniejsze.