Autoelektryka

w warsztacie samochodowym (1)

Oscyloskop to podstawowe narzędzie kadżego elektronika samochodowego, ze względu na spadające ceny coraz bardziej dostępne.

Oprócz nadal produkowanych oscyloskopów analogowych i analogowo-cyfrowych wyłącznie w wersjach stacjonarnych, nazywanych też laboratoryjnymi, są obecne na rynku oscyloskopy cyfrowe i to zarówno w wersjach laboratoryjnych, jak i przenośnych. Te ostatnie przeżywają burzliwy rozwój. Przybywa zarówno wersji, jak i producentów. Poprawiły się też znacznie możliwości i parametry pomiarowe oscyloskopów cyfrowych, pojawiły się nowe wersje o szerszym paśmie pomiaru i większej szybkości próbkowania niż produkowane dotąd. Wersje analogowe oscyloskopów zostały zepchnięte na margines oscyloskopowej techniki pomiarowej, omija je też stały postęp techniczny w tej dziedzinie. Dotychczasowi producenci oscyloskopów analogowych ograniczyli znacznie ofertę, powstały też nowe firmy nastawione wyłącznie na wytwarzanie oscyloskopów cyfrowych. Ceny ich znacznie spadły, co jest też związane ze spadkiem cen paneli ciekłokrystalicznych i zwiększeniem się konkurencji. Mimo odwrotu producentów od produkcji oscyloskopów analogowych, należy zaznaczyć, że oscyloskopy tego typu mają nadal zagorzałych zwolenników, gdyż są w stanie wychwycić to, co są w stanie zrobić jedynie bardzo drogie wersje cyfrowe. Dodatkowym argumentem zachęcającym do kupna oscyloskopu analogowego jest przystępna cena, z reguły niższa od odpowiednika cyfrowego. Pewnym rozwiązaniem jest zakup oscyloskopu analogowo-cyfrowego. Niestety, oscyloskopy tego typu są produkowane wyłącznie w wersjach laboratoryjnych i są stosunkowo drogie. Zadaniem niniejszego artykułu i następnych jest zapoznanie czytelnika z cechami, funkcjami i możliwościami pomiarowymi współczesnych oscyloskopów cyfrowych i ułatwienie podjęcia decyzji: kupić oscyloskop analogowy, czy cyfrowy, laboratoryjny, czy przenośny.

Fot. 1. Tradycyjny oscyloskop analogowy OS-5020 produkcji firmy EZ Digital.

Ekran
Jest to najważniejszy element każdego oscyloskopu, gdyż na nim obserwuje się przebiegi. W oscyloskopach analogowych, analogowo-cyfrowych i cyfrowych starej generacji rolę przetwornika obrazowego pełniła lampa oscyloskopowa, co miało duży wpływ na rozmiary i masę całego oscyloskopu. W nowoczesnych oscyloskopach cyfrowych miejsce lampy zajął panel ciekłokrystaliczny, zależnie od wersji monochromatyczny lub kolorowy (np. typu TFT). Oscyloskopy stały się lekkie, zajmują też mniej miejsca na stole laboratoryjnym. Na rynku pojawiły się już oscyloskopy z ekranami panoramicznymi. Wśród parametrów ekranu oprócz długości przekątnej ważna jest rozdzielczość ekranu, mająca wpływ na jakość obrazowania wyświetlanych przebiegów. Podaje się ją jako liczbę punktów wzdłuż osi poziomej i pionowej. Komfort obserwacji zwiększają też funkcje regulacji jaskrawości i kontrastu.Cena oscyloskopu pozostaje, niestety, nadal jednym z najważniejszych elementów decydującym często o zakupie. Stąd też wielu producentów oscyloskopów oferuje je zarówno w wersji “ekonomicznej”, tj. z ekranem monochromatycznym, jak i droższej – z ekranem kolorowym. Można zauważyć tendencję do eliminowania z oferty wersji monochromatycznych, choć wersje monochromatyczne mają swoich zwolenników ze względu na często lepszą jakość obrazu niż odpowiednie wersje kolorowe.

Liczba kanałów
Ogromna większość oferowanych oscyloskopów cyfrowych jest wyposażona dwa kanały, przy czym ich masy są połączone ze sobą na stałe. Pozwala to na porównywanie ze sobą przebiegów. W niektórych zastosowaniach pomiarowych jest potrzebna większa liczba kanałów, np. cztery. Takie oscyloskopy są poszukiwane, a ich oferta rynkowa jest w porównaniu z wykonaniami dwukanałowymi – niewielka. Niektóre wersje oscyloskopów oprócz wejść, do których doprowadza się sygnał analogowy, mają kilka wejść logicznych do doprowadzenia sygnału cyfrowego np. w standardzie TTL. Po doprowadzeniu takich sygnałów oscyloskop pracuje jako analizator stanów logicznych.

Pasmo oscyloskopu
Szerokość pasma pomiarowego oscyloskopu to jego najważniejszy parametr. Od niego przede wszystkim zależy cena oscyloskopu. Oczywiście, im większa szerokość pasma, tym lepiej, choć są dziedziny (należy do nich też motoryzacja), w których parametr ten nie ma większego znaczenia. Wiedzą o tym dobrze producenci, oferując oscyloskopy o różnym paśmie, stąd też różnych w cenach, dostosowanych do potrzeb i zasobności portfela każdego użytkownika. W obecnie produkowanych oscyloskopach pasmo zaczyna się zazwyczaj od 0 Hz. Tę dolną granicę przyjęło się oznaczać symbolem d.c. oznaczającym sygnał stały. Górna granica zaś jest częstotliwością, przy której wzmocnienie oscyloskopu maleje o 3 dB w stosunku do częstotliwości małych. Im większe pasmo oscyloskopu, tym lepiej, choć są jeszcze inne nie mniej ważne parametry. Należą do nich na przykład szybkość próbkowania i czas narastania.

Szybkość próbkowania
Oscyloskop cyfrowy zanim wyświetli na ekranie przebieg sygnału doprowadzonego do jego wejścia, pobiera z tego sygnału dane potrzebne do rekonstrukcji przebiegu w postaci próbek. Próbki te są pobierane kolejno w czasie próbkowania, przetwarzane na słowo cyfrowe, a następnie zapamiętywane w wewnętrznej pamięci oscyloskopu. Do wyświetlenia na ekranie oscyloskopu przebiegu sinusoidalnego trzeba pobrać co najmniej dwie próbki na okres z sygnału doprowadzonego do wejścia oscyloskopu,
w przeciwnym wypadku wyświetlony przebieg będzie odkształcony. Warunki te określa twierdzenie Shannona-Nyquista mówiące, że aby doprowadzony sygnał był wiernie odwzorowany na ekranie oscyloskopu, częstotliwość próbkowania musi być dwukrotnie większa od najwyższej częstotliwości widma tego sygnału. Przy pomiarze przebiegu powtarzalnego próbki są pobierane za każdym okresem z innego fragmentu tego przebiegu, w sposób przypadkowy. Przy pomiarze przebiegu jednorazowego próbki są pobierane w czasie rzeczywistym, tj. kolejno w czasie trwania przebiegu. Pasmo oscyloskopu cyfrowego przy próbkowaniu przebiegu jednorazowego jest dużo mniejsze niż przy próbkowaniu przebiegu powtarzalnego. Parametrem, który w tym przypadku ma decydujący wpływ na pasmo oscyloskopu, jest szybkość próbkowania oscyloskopu wyrażana w liczbie próbek na sekundę. Zatem pasmo dla sygnałów powtarzalnych odpowiada maksymalnej częstotliwości sygnału sinusoidalnego, którą może przenieść układ oscyloskopu (z trzydecybelowym spadkiem), a pasmo dla sygnału jednorazowego (w czasie rzeczywistym) określa częstotliwość, którą może on wychwycić, pobierając tylko jedną próbkę. W większości oscyloskopów oferowanych na rynku stosuje się metodę próbkowania sekwencyjnego, nazywanego też próbkowaniem w czasie ekwiwalentnym. Polega ona na jednoczesnym doprowadzeniu sygnału mierzonego do wejścia układu próbkującego i wyzwalania. Próbkowanie występuje w coraz to innym miejscu mierzonego przebiegu, a wyświetlenie próbki po jej zapamiętaniu następuje w innej skali czasu nazywanej skalą ekwiwalentną. Metoda ta pozwala na uzyskanie np. przy częstotliwości (szybkości) próbkowania 25 MSa/s pasma 50 MHz. Wyświetlany przebieg jest tworzony krok po kroku w trakcie kolejnych wyzwoleń. Po zebraniu odpowiedniej liczby próbek wymaganej przez twierdzenie Shannona-Nyquista wyświetlony przebieg (złożony z wielu kropek) można traktować już jako ciągły. Ten tryb próbkowania nadaje się dobrze do wyświetlania przebiegów sygnałów powtarzających się. Gdy amplituda mierzonego sygnału zmienia się, to przebieg taki nie zostanie odtworzony poprawnie, a gdy ma on charakter jednorazowy, np. krótkotrwałego zakłócenia powstającego w stanie przejściowym (glitches), to nie zostanie wykryty w ogóle. Do obejrzenia przedniego zbocza jest potrzebne, aby impuls wyzwalający je wyprzedzał, co uzyskuje się dodając linię opóźniającą lub zastosowanie wyzwalania zewnętrznym impulsem wyprzedzającym (tzw. pre-trigger). Inną metodą próbkowania pozwalającą zwiększyć szybkość tworzenia obrazu jest próbkowanie w czasie rzeczywistym. Układ oscyloskopu pobiera wtedy wszystkie potrzebne do tego próbki. Aby jednak uzyskać takie samo pasmo, szybkość próbkowania musi być większa. W trakcie próbkowania układ próbkowania oscyloskopu pracuje z maksymalną częstotliwością, pobierając w czasie jednego okresu wiele próbek. W ten sposób oscyloskop może wyświetlić dokładnie sygnały zmieniające się w czasie o znacznie większej częstotliwości niż przy próbkowaniu ekwiwalentnym. Może też wychwycić sygnały krótkotrwałe.

Fot. 2. Laboratoryjny oscyloskop cyfrowy DS-1080C produkcji firmy EZ Digital.

Wyzwalanie
Funkcja wyzwalania umożliwia uzyskanie na ekranie stabilnego przebiegu. W trybie wyzwalania, gdy podstawa czasu osiągnie prawy brzeg ekranu, zatrzymuje się oczekując na nadejście sygnału o parametrach wyspecyfikowanych przez operatora oscyloskopu. Parametry te to poziom wyzwalania i typ zbocza (narastające lub opadające). Gdy sygnał doprowadzony do wejścia oscyloskopu spełni dokonane wcześniej ustawienia, zostanie potraktowany jako impuls wyzwalający i po odpowiednim przetworzeniu
w układzie wyzwalania spowoduje uruchomienie podstawy czasu. Ekran zostanie rozjaśniony, pozwalając na zaobserwowanie przebiegu. Po powrocie podstawy czasu do miejsca spoczynkowego (prawy, skrajny brzeg ekranu) ekran zostaje wygaszony, a podstawa czasu przechodzi w stan oczekiwania na następny sygnał wyzwalający. Nieruchomy obraz na ekranie uzyskuje się w wyniku nałożenia na siebie wielu obrazów. Aby przebieg nie był rozmyty, rysowanie każdego kolejnego jego obrazu musi rozpoczynać się w tym samym punkcie. Operacja, która do tego prowadzi, nazywa się synchronizacją. Dzięki funkcji synchronizacji wyzwalania można wyświetlać sygnały okresowe, takie jak sinusoidalne lub prostokątne. Można też wyświetlać sygnały nieokresowe, takie jak pojedyncze impulsy lub impulsy pojawiające się przypadkowo. Do najczęściej stosowanych rodzajów wyzwalania należy wyzwalanie normalne, automatyczne i jednorazowe. Przy wyzwalaniu normalnym warunkiem uzyskania obrazu jest właściwe ustawienie poziomu wyzwalania. Problemu tego nie ma przy wyborze wyzwalania automatycznego, a obraz jest rysowany nawet przy braku sygnału wyzwalającego (jest rysowana linia pozioma, gdyż podstawa czasu pracuje samowzbudnie). W momencie pojawienia się sygnału wyzwalającego podstawa czasu przestaje pracować samowzbudnie i działa dalej już, tak jak przy wyzwalaniu normalnym. Przy wyzwalaniu jednorazowym podstawa czasu działa tylko raz. Ten rodzaj wyzwalania jest przydatny do wychwytywania i obserwowania sygnałów zakłócających, pojawiających się jednorazowo i przypadkowo. Specjalny układ detekcji zbocza wytwarza sygnał impulsowy, gdy sygnał doprowadzony do wejścia oscyloskopu przejedzie ustawiony próg wyzwalania i to w odpowiednim kierunku. Funkcja opóźnienia wyzwalania nie pozwala, aby po spełnieniu powyższego warunku oscyloskop wyzwolił, lecz czeka określony czas zanim włączy bieg podstawy czasu. Funkcja ta pozwala obserwować wybrany impuls z długiego ich ciągu. Funkcją charakterystyczną dla oscyloskopów cyfrowych jest nieustanne próbkowanie niezależnie od wyzwalania. Pozwala to obserwować przebiegi sygnału przed momentem wyzwolenia (pre-trigger) i jest szczególnie przydatne przy obserwowaniu przebiegów złożonych i krótkotrwałych sygnałów występujących jednorazowo. Każdy współczesny oscyloskop ma też gniazdo wyzwalania zewnętrznego. Doprowadza się do niego sygnał wyzwalający wytwarzany przez źródło zewnętrzne.

Leszek Halicki