Rigol MSO4034 (aneb co si asi do domácí dílny nekoupíte)

Že dobrý osciloskop je jedním z nejužitečnějších přístrojů i v amatérské dílně, to je snad zřejmé. Otázka je, co vlastně znamená slovo „dobrý“. Je to pokus o vyjádření možností nebo kvality ve srovnání s našimi požadavky a potřebami, a současně to znamená, že se snažíme daný přístroj zařadit, že máme představu o tom, co by na jedné straně už dobré nebylo, a také na druhé straně o tom, co by bylo lepší, než ono „dobré“.

A právě kvůli tomu vznikl následující článek. Není pravděpodobné, že by si přístroj v ceně 180 000 Kč koupilo do dílny mnoho robotiků, ale určitě neuškodí udělat si představu, co umí přístroj profesionální třídy, i když zdaleka ne špičkových parametrů.

Rigol MSO4034 je, jak už označení napovídá, „Mixed Signal Oscilloscope“ (MSO), tedy kombinace digitálního osciloskopu s analogovými stopami, v tomto případě čtyřmi s frekvenčním rozsahem do 350 MHz, a logického analyzátoru, v tomto případě se 16 kanály. MSO ale neznamená jen to, že se oba přístroje umístí do jednoho krytu, ale že se propojí, že synchronizaci lze odvodit jak z analogových tak digitálních stop. Analogové i digitální děje tak vidíme v přesné časové souvislosti.

Celkový pohled na přístroj bez sond

Displej má úhlopříčku 225 mm a rozlišení 800×480 bodů, na něm jsou i detaily dobře vidět. Vpravo i vlevo vedle displeje jsou tlačítka, jejichž význam je dynamicky přidělován a zobrazen v postranních menu na displeji. Konektor USB vpředu slouží zejména k ukládání průběhů na flash disk nebo příležitostnému tisku, zapuštěný konektor pod displejem pro digitální šestnáctikanálovou sondu prozradí přítomnost logického analyzátoru.

To podstatné ze zadní strany

Ze zadní strany přístroje najdeme kromě vstupu síťového napětí a hlavního vypínače (ten pro přechod do stand-by režimu je vpředu) vstup/výstup referenčního signálu 10 MHz, na BNC konektoru výstup signálu, kam můžeme nasměrovat pulzy v okamžiku synchronizace, signál odvozený od vyhodnocení PassFail nebo nechat vytvořit pravoúhlý signál 1,25 MHz se strmými hranami (2,5 ns) pro lepší kalibraci vstupů. VGA konektor dovoluje připojit obrazový výstup z osciloskopu na větší monitor, televizi nebo projektor. MSO4032 se také dá přímo začlenit do lokální počítačové sítě a může být přes ni řízen nebo poskytovat výsledky na internetové stránky. K dispozici je i zadní konektor USB host pro připojení tiskárny nebo komunikaci GPIB a druhý konektor USB device pro řízení osciloskopu z počítače nebo tisk.

Nebudeme se snažit věnovat všem vlastnostem, soustředíme se na ty, které souvisí s typickou prací s digitálními obvody.

Na levé straně displeje se vyvolává menu měření hodnot souvisejících s časem (perioda, frekvence, strmost hran, činitel plnění, posunutí signálů, fáze, překrytí, …) i amplitudou (rozkmit, napětí maxima, napětí minima, překmity hran, plocha průběhu, …). Pět zvolených hodnot se pak vypisuje pod průběhem, to nenarušuje přehlednost čtení, případně se mohou všechny hodnoty (i pro všechny kanály) současně vypisovat do tabulky. V některých situacích nemusí práce ani tak vycházet z prohlížení průběhů, jako být spíše čtením měřicího protokolu, záleží na tom, jak si uživatel funkce nastaví.

Velmi užitečnou pomůckou je kontextová nápověda. Stačí v daném nastavení stisknout tlačítko Help a pak to, s nímž si nevíme rady, a na displeji se zobrazí popis, který většinou opravdu vysvětlí funkci a pomůže. Nikdo si nemůže pamatovat vše.

Vlevo menu měření hodnot, uprostřed nápověda k jedné z možností

V základním příslušenství jsou čtyři pasivní sondy s rozsahem do 500 MHz, vstupním odporem 10 MΩ / 13 pF a pevným dělicím poměrem 10:1. Připojení sondy ke vstupu osciloskop díky pomocnému kontaktu okamžitě pozná, pípne a nastaví a uzamkne dělicí poměr. Není možné omylem měřit s jiným zvoleným poměrem než sonda opravdu má. Ručně nastavitelný poměr pro sondy je od 0,01 (zesilovač 100) po 1000 (dělič 1000) ve stupních 1 – 2 – 5.

Jedna z pasivních sond 500 MHz

Každý ze čtyř analogových kanálů může mít vstup přepnut i na impedanci 50 Ω. Aktuální citlivost vstupu se trvale zobrazuje při spodním okraji displeje. Pro každou stopu lze zvolit jednotky a to buď V, A, W nebo U, což jsou pravděpodobně jiné nespecifikované jednotky. Křivce kanálu se může přiřadit čtyřznakový popis, to při čtyřech stopách značně usnadňuje orientaci proti základnímu označení číslem stopy.

Vzorkování po 250 ps (=0,25 ns) pro jeden kanál nebo 500 ps pro dva znamená, že zobrazení průběhů není omezování vzorkováním, ale opravdu vstupní frekvenční charakteristikou. Znamená to, že jsme schopni vidět podrobně hazardní stavy v logických obvodech a je-li to potřeba, dokonce zpoždění, které nabere signál při průchodu decimetrovým vodičem. Na obrázku je právě takový případ, stejný signál zobrazený dvěma kanály, na jednom z nich měla ale sonda o kousek delší kabel. A dole nám osciloskop statisticky vyhodnotí fázové posunutí 1,708 ns. Samozřejmě, před podobným měřením si můžeme všechny kanály zkalibrovat a stopy srovnat přesně na sebe.

Pro každý kanál se může aktivovat frekvenční filtr typu dolní propust na 20, 100 nebo 200 MHz, což účinně vyčistí signál od nežádoucích šumů. Pro referenční (uživatelem předem uložené) signály je připraveno 10 kanálů, všechny mohou být zobrazeny současně a odlišeny barevně. Každý ze zobrazených průběhů jde samostatně posunovat nahoru nebo dolů a také upravit jeho amplitudu, aby se daly snadno „posadit“ na sebe a porovnat.

Synchronizace se dá odvodit z kteréhokoli analogového i digitálního kanálu nebo brát z externího signálu. Kromě standardních možností je i možnost synchronizovat se na konkrétní data. Jak to funguje? Když se na analogové stopě zobrazí sériová komunikace (např. RS232), zadá se rychlost přenosu (až 1 Mbps nebo volně nastavitelná uživatelem mimo obvyklé hodnoty), událost (příchod dat, chyba v přenosu nebo předvolená data), osciloskop se umí zasynchronizovat na daný okamžik. Na následujícím obrázku je přenos textu „abcde“ při 9600 Bd a synchronizace (oranžová šipka nahoře) na konec písmena „b“ (kód 98). Obdobné prostředky jsou připravené pro I2C, SPI, CAN, FlexRay nebo USB.

V tomto případě osciloskop „četl“ sériový signál, ale neukázal nám jeho obsah, jen to využil k synchronizaci.  I číst obsah ale může, k tomu slouží tlačítka Dekode, která vytvoří samostatné stopy s výpisem hodnot na paralelní sběrnici (ve spolupráci s logickým analyzátorem), komunikaci RS232, SPI, I2C nebo FlexRay.

Možnosti měření jsou velmi rozsáhlé. Kromě toho, že osciloskop odečte a vyčíslí obvyklé parametry signálu (amplituda, délky hran, fázové posuny, ….) může tyto hodnoty dále zpracovávat, v první řadě statisticky. Tím místo jedné okamžité hodnoty dostaneme čtyři údaje, okamžitou, průměrnou, minimální a maximální hodnotu. Místo maxim a minim stejně dobře jde sledovat počet hodnocených průběhů a procentně vyčíslené odchylky. Ani to není vše. Zapnutím volby „history“ začne osciloskop sledovat vývoj vybraných hodnot a zapisovat je do tabulky nebo vykreslovat do grafů. Na vstup přivedeme například obdélníkový signál konstantní frekvence s PWM modulací, necháme vyhodnocovat střídu a vykreslovat ji do grafu, vlastně tím získáme průběh napětí po demodulaci. Podobně můžeme sleodvat amplitudovou nebo frekvenční modulaci nebo cokoli jiného, třeba změny strmosti hran při postupném nastavování. Na obrázku je zobrazen průběh 80% amplitudové modulace sinusového signálu sestupnou pilou.

MSO4034 pracuje s dosvitem trochu jinak, než je obvyké. Pokud necháme volbu Min, což je v podstatě automatika, volí si přístroj dosvit sám tak, že stopu vidíme jakoby mírně rozostřenou a šum nebo jiné odchylky kolem ní tvoří obal se slabou intenzitou. Podobně je to v případě, že se vyskytují nepravidelnosti, vidíme hlavní (častou) křivku s plném jasu a občasné děje slabší. Když nastavíme ručně delší délku dosvitu, jsou všechny stopy stejně jasné.

Tak jak je obvyklé, můžeme průběhy zobrazovat bez úpravy nebo je „vyčistit“ průměrováním až 8192 průběhů, přes to je zpracování velmi svižné a nezdržuje.

MSO4034 má více prostředků zaměřených na odhalení anomálií v signálu. Tím poměrně obvyklým je funkce Pass/Fail, která vymezí kolem průběhu pásmo tolerance a při jejím překročení buď snímání zastaví, nebo jen započítá výskyt chyby, může i poslat pulz pro externí čítač na BNC konektor vzadu. Tak získáme dobrý přehled o četnosti a podobě častějších anomálií. Velmi silným nástrojem je záznam měření. Osciloskop je schopen uložit až 200000 průběhů v nastaveném intervalu od 100 ns po 10 s (celý záznam 23 dnů). Při krátkém odstupu jdou do záznamu všechny průběhy, které osciloskop snímá. Jakmile je záznam pořízen, můžeme si jej přehrát od zadaného do zadaného snímku jednou či cyklicky, můžeme jej procházet různou rychlostí vpřed i vzad (jako video) nebo snímek po snímku. Ale hlavně, můžeme záznam opakovaně a různým způsobem analyzovat, prohlížet si, co chybě na všech signálech předcházelo a co následovalo. Na obrázku bylo nasnímáno 5000 pulzů a je mezi nimi přesně 100 zkrácených. Dole na displeji je rozložení anomálií po analýze Pass/Fail, v detailu je snímek 29.

Dostáváme se k tomu, co je podstatou MSO, totiž šestnáctikanálovému logickému analyzátoru.  Analyzátor má jen dva speciální ovládací prvky, tlačítko pro vyvolání menu a otočný volič pro výběr stopy. „Přirozené“ dělení kanálů sleduje možnost vypnout nebo zapnout skupinu 0 – 7 nebo 8 -16, obecně ale můžeme zapnout kteroukoli stopu nastavit libovolné pořadí na displeji. Kanály lze přiřadit do čtyřech barevně odlišených skupin a ovládat společně, zobrazení je možné v několika velikostech.

Sonda logického analyzátoru

Digitální stopy jdou nastavit pro zobrazení úrovní TTL, CMOS 5 V, 3,3, 2,5 nebo 1,8 V i dalších nebo uživatelsky definovaných, rozhodovací úroveň může být až ±20 V (vstupní napětí sond ±40 V). V uživatelském nastavení si volíme úroveň samostatně pro stopy 0 – 7 a 8 – 16, takže není problém současně sledovat signály ve dvou částech zapojení s logikou v různých napěťových úrovních, další 4 stopy, které můžeme libovolně nastavit jsou pochopitelně ty analogové. Každá stopa může být pojmenovaná výběrem ze seznamu typických signálů (to jde rychleji) nebo libovolně uživatelem.

Stopy můžeme brát také jako dvě osmibitové nebo jednu šestnáctibitovou sběrnici, definovat k nim hodinový signál  a nechat vypisovat hodnoty nebo vykreslovat graf. Na obrázku je případ, kdy je vstupní harmonický signál (kanál 1) vzorkován AD převodníkem, výsledek je posílán na osmibitovou paralelní sběrnici (D0 – D7) a její hodnoty jsou dole vypsány v HEX formátu.

Další obrázek zachycuje případ, kdy na analogovém kanálu (žlutá křivka) je signál vzestupné pily se střídou 95:5, ten je převeden AD převodníkem na paralelní sběrnici (D0-D7) a následně jsou data osciloskopem přečtena a signál z nich graficky rekonstruován, to je ta „zubatá“ křivka.

Je doba elektronické komunikace, když se může bavit lednička se sporákem, proč ne osciloskop s něčím dalším?  MSO4034 lze připojit přímo do lokální sítě nebo prostřednictvím USB. Program Ultra Sigma v PC si po spuštění najde rozhraní, přes které je přístroj připojen. Kdykoli si můžeme na dálku přenést do PC kopii obrazovky osciloskopu, nicméně hlavní je ovládání pomocí SCPI povelů, jimiž může být MSO řízen dávkově nebo automaticky. Obecně může mít dálkové ovládání MSO i člověku příjemnější názornou podobu, například ve formě programu LabView, ale SCPI je základ, který je možné naučit v podstatě jakýkoli řídící systém.

Ovládací prvky MSO4034

V ceně podobného přístroje se nepromítají až tak moc „chytré“ funkce, některé z nich ostatně najdeme i u 100x levnějších zařízení, jak spíš to, jak rychle dokáže pracovat a kolik toho zvládne udělat paralelně. Ono není problém dekódovat USB, RS232, SPI nebo I2C přenos, to může umět kdejaký mikrokontrolér, ale dělat to v reálném čase při maximální rychlosti komunikace a vzorkovat signály tak rychle, aby ani žádný hazard nemohl uniknout, to je něco naprosto jiného. Být schopen cíleně najít jednu jedinou anomálii, jeden falešný impulz mezi miliardami, to je to, za co se platí, a co také v profesionálním užití šetří náklady, tedy jinak řečeno vydělává. Komfort a přehlednost jsou pak už jen nástavbou, která k tomu patří.

Základní technické údaje MSO4034:

Kat. 2