dosc_b

Osciloskop – základ elektronické dílny?

Titulek tohoto článku někoho možná zarazí, někdo jej bude považovat za provokaci, někoho, zejména starší elektroniky, kteří mnoho let vnímali osciloskop jako nejznámější příklad drahého profesionálního přístroje, pro amatéra zcela nedostupného, asi i popudí. Zkuste se ale bez předsudků zamyslet nad následujícím.

První analogový osciloskop v dnešním slova smyslu byl oficiálně představen americkou firmou Tektronix v roce 1947 a z našeho pohledu měl velmi skromné parametry: jeden kanál a frekvenční rozsah do 10 MHz. Samozřejmě to byl přístroj objemný, s velkou spotřebou energie a neuvěřitelně drahý. Ale byl první a ve své době převratný, dovolil názorně vidět průběh signálu a díky kalibrovanému vertikálnímu zesilovači i časové základně i měřit.

Co vlastně osciloskop dělá? Jeho základní funkcí je to, že měří a zobrazuje napětí proměnné v čase. V tom se nijak neliší současné přístroje od těch historických. Dnes už drtivě převažují digitální osciloskopy nad analogovými, ale to, jak se liší způsob a technické prostředky, jimiž svou práci dělají, nás nyní nezajímá. Stále platí, že přímo se měří jen dvě veličiny, které v zobrazení (většinou) odpovídají osám X a Y, napětí a čas. Současné osciloskopy mají ovšem mnoho doplňkových funkcí, které byly umožněny digitálním zpracováním signálu.

Zkusme se na věc podívat jinak. Představme si, že máme ideální osciloskop bez omezení parametry a vybavený současnými běžnými funkcemi. Máme tedy digitální paměťový osciloskop s (nejméně) dvěma nezávislými kanály, bez omezení frekvence, se vstupy s nekonečnou impedancí a citlivostí libovolně velkou nebo malou podle potřeby. Zkusme se podívat na to, k čemu všemu nám takový přístroj může posloužit a jaké jiné přístroje v dílně nahradí po doplnění jednoduchými přípravky. Samozřejmým předpokladem je ale to, že přístroj nejen máme, ale také jej umíme používat.


• Měření stejnosměrného napětí – není to sice zrovna to, k čemu je osciloskop určen, ale když už držíte sondu v ruce, tak je nejrychlejší a nejpohodlnější orientačně změřit napětí takto. Většinou není třeba odečítat napětí z posunutí vodorovné stopy, osciloskop jej vyčíslí sám ať už jako vrcholovou nebo efektivní hodnotu, to je v tomto případě jedno. Voltmetr (multimetr) bude jistě přesnější, ale takto to jde také a rovnou se přesvědčíme, jestli na napětí opravdu nejsou žádné změny v čase.
• Měření střídavého napětí harmonického (sinusového) i obecného periodického průběhu. Pokud jde o vyčíslení efektivní hodnoty, nahradí většinou dostatečně přesně nf milivoltmetr i vf milivoltmetr, které efektivní hodnoty měří. Na rozdíl od nf mV-metru může být frekvence až o několik řádů nižší. Kromě toho zachytí a vyčíslí špičkové napětí (kladné i záporné), což jinak vyžaduje měřič spičkových hodnot a ukáže i stejnosměrný posun průběhu, ten se jinak přímo měří problematicky. Ukáže překmity na hranách signálů.
• Měření efektivní / spičkové hodnoty neperiodického respektive jednorázového průběhu. Vzhledem k tomu, že jiné přístroje vyžadují periodický průběh, toto jinak než digitálním osciloskopem dělat téměř nejde.pulz_Hantek
• Záznam pomalých dějů, například nabíjecí nebo vybíjecí charakteristiky akumulátorů. Vzhledem k tomu, že výstup z osciloskopu lze přenést do počítače, tisknout nebo uložit pro následné porovnání s další charakteristikou, zastoupí záznamový voltmetr nebo souřadnicový zapisovač, někdy „chytrý“ nabíječ nebo vybíječ s připojením na počítač.
• Měření průběhu děje, který byl PŘED událostí, na kterou se snímání synchronizuje. V tomto směru je osciloskop v podstatě nenahraditelný, zejména pokud jde o řídce se vyskytující neperiodickou událost. Zjednodušeně řečeno, osciloskop vzorkuje vstup neustále a ukládá vzorky do paměti, ty nejstarší přepisuje novými. Když dojde k události, na níž se synchronizujeme, má v paměti záznam předchozího děje a může jej ihned vykreslit.
• Měření fázového posunutí dvou periodických signálů – nahradí měřič fázového posunutí. Přesné porovnávání dvou frekvencí na shodu (třeba na 100 MHz lze zjistit odchylky 0,01 Hz) nebo porovnávání frekvencí, které by měly mít poměr vyjádřený jednodušším zlomkem.
• Měření střídy signálu (například PWM řízení) – nahradí měřič střídy
• Měření frekvence a periody – buď odečtením z nasnímaného průběhu nebo samostatným čítačem vázaným na některý z kanálů. Nahradí čítač respektive měřič frekvence. Ze zobrazeného průběhu lze poznat, jestli se opravdu vyhodnocení poriody „chytá“ na skutečnou periodu nebo na nějaké zákmity.
• Detekce (a počítání četnosti) nahodilých odchylek signálu od standardního průběhu funkcí path fail – bez osciloskopu obtížně realizovatelnáSDS00007
• Záznam průběhu změn frekvence v čase – převodem frekvence na napětí
• Měření kapacit – přímá metoda snímá dobu nabíjení konstantním proudem převedeným na napětí, nahradí měřič kapacity. Je použitelná zejména pro větší kapacity od nF až po kapacity řádu kF. Pro malé kapacity je lepší převod kapacity na frekvenci respektive periodu kmitů a tu změřit. hantek483_4
• Měření indukčností – snímá se lineární nárůst proudu v čase při známém napětí – zastoupí měřič indukčností zejména pro větší indukčnosti nad 1 μH. Pro malé undukčnosti je lepší převod LC oscilátorem na frekvenci a změření přes frekvenci.hantek483_2
• Měření teploty převodem na frekvenci nebo napětí podle charakteru čidla, funkce teploměru nebo záznamového teploměru.
• Měření a záznam proudu převodem na napětí – u malých proudů prostřednictvím odporového bočníku, u velkých například snímačem s Hallovou sondou, u střídavého proudu proudovým transformátorem. Náhrada ampérmetru stejnosměrného i střídavého včetně záznamového zařízení.
• Měření tlaku a průběhu tlaku převodem na napětí
• Měření síly a průběhu síly převodem na napětí, například měření tahu pohonů, …
• Náhrada otáčkoměru snímáním napájecího proudu motoru
• Měření časového intervalu (typicky v rozsahu ns až hodin) mezi událostmi snímanými jedním čidlem – stopky v rozšířeném smyslu
• Měření rychlosti pomocí času mezi signály čidel průjezdu an začátku a konci známé délky dráhy – náhrada rychloměru
• Měření délky vodiče (místa zkratu mezi vodiči, místa přerušení vodiče) pomocí odrazu skokového signálu (defektoskopické metody)
• Měření vibrací a záznam míry vibrací snímaných pomocí piezočidla
• Měření úrovně hluku a jeho záznam po převodu na napětí pomocí mikrofonu a logaritmického zesilovače
• Vyhodnocení tloušťky materiálu a homogenity materiálu – zobrazení odrazu ultrazvukového pulzu vyslaného do materiálu
• Měření impedančního přizpůsobení pomocí odrazu impulzu na rozhraní
• Kontrola logické úrovně (náhrada logické sondy) včetně počítání malého počtu impulzů, vzniku dynamických hazardů a podmínek pro vznik statických hazardů
• Zobrazení VA charakteristik součástek, například tranzistorů – náhrada charakterografu pomocí přípravkucharakt
• Spektrální analýza zobrazeného signálu funkcí FFT – touto možností je vybaven prakticky každý současný osciloskop, nicméně mimo školské příklady je funkce málokdy opravdu použitelnáfreq_1500Hz
• Čtení krátkých zpráv v protokolech UART, I2C, SPI, atd. (funkce dekódování  sériového signálu), kontrola čitelnosti datDS2_QuickPrint5

Příkladů by se jistě našlo mnohem více, záleží na oblasti zájmu. Vtip je v tom, že naprostá většina veličin, které potřebujeme měřit, buď přímo obsahuje nebo se dá převést na napětí či čas. Potřebné přípravky bývají levné a často se dají sestavit doslova na počkání.

Lze namítnout, že náš výchozí předpoklad použití ideálního osciloskopu bez omezení reálným parametry nebude nikdy splněn. Je to pravda, nebude, a osciloskop, který by se tomu ideálnímu hodně blížil, by stál zhruba jako nové auto nižší střední třídy. Ale na druhou stranu v naprosté většině případů si vystačíme i s přístrojem mnohem levnějším, který se dá běžně koupit. Mnoho práce zastane už malý osciloskop s rozsahem do 20 MHz, který se dá opatřit kolem 5000 Kč, naučit se pracovat můžeme i s 10x levnějším přístrojem, ale v tomto směru není rozumné na přístroji pro skutečné použití (nejen na první seznámení a naučení) příliš šetřit.

JDS2022Jestliže určité měření potřebujeme dělat často nebo přesně, pak pochopitelně je na místě opatřit si specializovaný přístroj (což ale není většinou levné), pro příležitostné použití stačí osciloskop doplněný přípravkem.


Doporučuji ke zvážení ještě jeden pohled na věc. Je poměrně dost amatérských elektroniků, kteří většinu svého času a úsilí v průběhu let věnovali tomu, aby si co nejlevněji (tedy vlastní stavbou podle návodu nebo dokonce vlastní konstrukcí) vybavili dílnu měřicí technikou, aby byli schopni dělat to, k čemu chtěli směřovat. Většinou ale na tu zamýšlenou činnost buď nikdy nedošlo, protože pořád bylo co na vybavení dílny zlepšovat, nebo nakonec tvořila jen nepatrnou část jejich práce. Přitom prostředky investované v průběhu doby do vybavení (o času nemá ani smysl mluvit) by několikanásobně stačily na nákup mnohem méně početného, ale mnohem kvalitnějšího vybavení.

Jestliže toto postupné vybavování a vlastní konstrukce dalších a dalších přístrojů a vybavení člověka baví a odpočine si u toho, pak nelze nic namítnout, vše je v pořádku. Jestliže je ale jiný cíl a v této podpůrné a přípravné činnosti na cestě k vytčenému cíli (a je jedno, jestli je to stavba robotů nebo třeba radioamatérské vysílání) „utopí“ 90% svého času a trojnásobek peněz, než by stálo pořízení potřebné techniky, je asi jasné, že udělal chybné rozhodnutí a zvolil špatnou cestu.

Osciloskop je nejuniverzálněji použitelným elektronickým přístrojem v dílně a umíme-li ho využít, může po doplnění jednoduchými přípravky příležitostně nahradit řadu specializovaných přístrojů.