5. díl - Jak dostat ze svého digitálního osciloskopu maximum

V tomto díle našeho technického seriálu se zaměříme na typické vlastnosti osciloskopu. Poskytneme vám několik rad, jak je nejlépe využít při vaší práci. Čím lépe znáte váš osciloskop, tím rychleji a spolehlivěji sním dokážete pracovat.

Technický seriál - Rady a tipy při výběru osciloskopu

Autor Bohumil Vítovec

Dnešní digitální osciloskopy jsou tak nabité velkým množstvím všemožných funkcí a vlastností, které mají usnadnit uživateli měření a interpretaci výsledků, protože že už jen orientace v nich může být pro uživatele náročná. Může se tak jednoduše stát, že uživatel je zavalen informacemi a zapomene, co všechno jeho osciloskop umí. Proto se dnes budeme věnovat prohlídce typických vlastností osciloskopů a poskytneme vám několik doporučení, jak a kdy je můžete nejlépe využít při své práci. Pokud uvažujete o pořízení nového osciloskopu,  připomeneme vám, co při výběru nového přístroje neopomenut zvážit.

Šířka pásma

Jedním z nejzákladnějších parametrů digitálního osciloskopu je šířka pásma. Je třeba vzít v úvahu dva druhy šířky pásma. Když získáme signál, byla analogová šířka pásma na vstupním signálu osciloskopu definována v bodě -3 dB nebo frekvenci, při níž je sinusový vstupní signál oslabován na 70,7% jeho skutečné amplitudy.

Jestliže potřebujete co nejpřesněji měřit amplitudu, kterou váš přístroj může udělat, ujistěte se, že šířka pásma osciloskopu je pětkrát větší, než šířka signálu, který chcete měřit. Nezapomeňte, že šířka pásma systému osciloskopu zahrnuje sondy. Ujistěte se také, že vaše sondy poskytují dostatek šířky pásma pro danou úlohu.

Digitální šířka pásma osciloskopu definuje aktuální šířku pásma, kterou uvidíte na displeji. Při nastavení horizontální časové základny (v čase / rozdělení podle zobrazení mřížky) nastavujete okno zachycení. Pokud nepoužíváte správnou vzorkovací frekvenci s dostatečnou pamětí pro pořízení, vaše efektivní digitální šířka pásma bude menší, než očekáváte. 

Obrázek 1

Vzorkovací frekvence

Pokud se podíváte na sinusovou vlnu, ujistěte se, že vzorkovací frekvence je alespoň dva vzorky / cyklus (rychlost Nyquist). U signálů s vyšší frekvencí, například obdélníkový průběh, je potřeba používat nejméně 4x - 10x převzorkování. Obrázek 1 ukazuje rozdíl mezi akvizicí provedenou s nedostatečnou vzorkovací rychlostí (horní část) a druhou, která zachycuje dobré množství detailu signálu (spodní část).

Pokud používáte osciloskop Teledyne LeCroy, máte příjemnou výhodu. Tato značka osciloskopů umožňuje jednoduše si nastavit, aby osciloskop upřednostňoval paměť nebo vzorkovací frekvenci. Jak na to?

Dotykem na deskriptoru časové základny nástroje na displeji (obrázek 2) se otevře dialogové okno časové základny. Ve výchozím nastavení bude časová základna nastavena na hodnotu: Nastavit maximální paměť (Set Maximum Memory). Nebo vyberete možnost Fixed Sample Rate. První postup výchozí nastavení sníží vzorkovací frekvenci pro delší nastavení časové základny. Druhý postup (obrázek 2, dolní část) udrží vzorkovací frekvenci v jakémkoli nastavení, které zvolíte a poté přidá nebo odečte akviziční paměť podle potřeby pro udržení daného efektivního digitálního šířka pásma.

Obrázek 2

Vertikální dynamický rozsah

Vertikální dynamický rozsah patří k nejdůležitějším atributům digitálního osciloskopu. Některé přístroje mají převodníky analogově-digitální (ADC) s rozlišením 8 bitů, 10 bitů nebo 12 bitů. Proces ADC je prováděn s kvantizační chybou, ta je rozdílem mezi kontinuálním analogovým průběhem, který vstupuje do převodníku a digitálním znázorněním stupňovitým stupněm, který převodník opouští. Když daný vzorkovací bod leží mezi dvěma digitálními kroky, digitální hodnota tohoto bodu musí být zaokrouhlena nahoru nebo dolů, což vede k chybě kvantizace.

Z toho vyplývá, že vyšší rozlišení ADC přináší menší kvantizační chyby, protože existuje mnohem více úrovní kvantifikace, které jsou blíže rozloženy. Osciloskop s 12bitovými ADC má 16x více dynamického rozsahu než s 8bitovými ADC (obrázek 3). S 8 bity získáte 256 kvantizačních úrovní na vertikální dělení, zatímco s 12 bity získáte 4096 úrovní. To vám dává mnohem více detailů v zobrazeném tvaru vlny s přesností zesílení DC asi o 0,5% oproti 1,5 nebo 2,0% s 8 bitům.

Obrázek 3

Pro plné využití ADC všech úrovní ADC je důležité, aby snímaný signál byl už před vstupem do osciloskopu na vhodné úrovni napětí. Pokud je napětí příliš vysoké pro 50 Ω impedanci (>5V), lze jeho úroveň snížit pasivními přesnými atenuátory s vysokou šířkou pásma. U 1 MΩ impedance je možné použít mnohem vyšší napětí ale, kromě toho že 1 MΩ impedance může zatížit váš obvod a tím zdeformovat průběh signálu, také se sníží šířka pásma akvizičního systému. Je tedy zřejmé, že  toto řešení není vhodné pro vysoké frekvence cca >2GHz.
Při přepínání vstupní impedance osciloskopu z 1 MΩ  na 50 Ω  je nutné věnovat pozornost napěťové úrovní signálu na daném kanálu. U nastavení 50 Ω  nesmí dojít k překročení maximálního přípustného napětí!

Pokud je signál příliš slabý, tak že jeho průběh je jen lehce nad úrovní šumu osciloskopu, nedokážete efektivně využít ADC.  HD nativní AD převodníky, plně neoceníte pokud budete operovat na hranicích napěťového rozlišení osciloskopu. V takovém případě je zapotřebí signál před vstupem do osciloskopu zesílit, použitím vhodných sond či široko-spektrálních lineárních zesilovačů. Tím získáte vyšší odstup signál šum a 12bitů ADC se projeví v plné parádě. V podstatě si tímto postupem účelně navýšíte ENOB pro daný typ signálu.  Tímto krokem naplno využijete možností osciloskopu.

Čím lépe znáte váš osciloskop, tím rychleji a spolehlivěji sním dokážete pracovat. Osciloskopy Teledyne LeCroy vám nabízí vysoké technické parametry a sofistikované softwarové nástroje pro usnadnění a zpřesnění vašich měření.

[1] Getting The Most Out Of Your Oscilloscope: Setup 
https://blog.teledynelecroy.com/2018/01/getting-most-out-of-your-oscilloscope.html [cit.03.01.2019]

V tomto seriálu si neklademe za cíl hodnotit, která značka je nebo není nejlepší. Chceme pouze čtenáře upozornit na častá omezení a úskalí, která nemusí být na první pohled při výběru osciloskopu pro vaší práci zřejmá. Chceme vám poskytnout určitý nadhled při výběru nového osciloskopu. Informace, které v seriálu uvádíme, vychází z našich dlouholetých zkušeností s osciloskopy a především s přístroji Teledyne LeCroy, z veřejně dostupných informací a technické dokumentace ostatních výrobců. Abychom se nezabývali touto problematikou jen v teoretické rovině, zaměříme se na technické parametry přístrojů a různé způsoby měření. 

Obsah tohoto seriálu můžete také ovlivnit! Uvítáme vaše komentáře, návrhy témat, vaše zkušenosti, které můžete zasílat na email bohumil.vitovec@blue-panther.cz.

Stejně tak se můžete ozvat, pokud potřebujete radu na míru!

Další díl / Všechny díly

Fotografie

Osciloskop Teledyne LeCroy HDO4000A a HDO4000A-MS s převodem 12 bitů

12bitové čtyřkanálové digitální osciloskopy s šířkou pásma 200 MHz až 1 GHz, pamětí až 50 M na kanál, vzorkováním 10 GSa/s a možností rozšíření o interní 16kanálový logický analyzátor.

Osciloskopy Teledyne LeCroy HDO6000B a HDO6000B-MS

Digitální osciloskopy s rozlišením 12 bitů, šířkou pásma 350 MHz až 1 GHz, pamětí až 250 MS na kanál, vzorkováním 10 GSa/s.

Osciloskop Teledyne LeCroy WaveRunner 9000

Čtyřkanálové digitální osciloskopy s šířkou pásma 500 MHz až 4 GHz, pamětí až 128Mpts na kanál a vzorkováním až 40 GS/s. Nadstardatní sada nástrojů pro zpracování elektronických signálů. Pohodlné uživatelské rozhraní MAUI a širokoúhla 15.4" dotyková obrazovka.

Osciloskop Teledyne LeCroy HDO 9000

Velmi rychlé čtyřkanálové digitální osciloskopy řady HDO 9000s šířkou pásma 1 GHz až 4 GHz, pamětí až 128 Mpts na kanál a rychlostí vzorkování až 40 GS/s. Poskytují výjimečnou věrnost signálu s 10bitovým rozlišením.