V dnešní době je drtivá většina osciloskopů digitálních a se dvěma kanály. Stačí to? Běžná měření se s tím zvládnou dají, ale dost často by se hodilo mít možnost sledovat současně více signálů, byť za tu cenu, že rozlišení nebude tak dobré a odečítání hodnot přesné. Zkrátka potřebujeme přepínač. To, že není potřeba jakkoli zasahovat do osciloskopu, je samozřejmostí.
Dříve, když osciloskopy byly analogové a jednokanálové, patřily přepínače k osciloskopu mezi často publikované amatérské konstrukce. Časem se dva kanály staly standardní výbavou i analogových osciloskopů a novější digitální se s méně snad ani nevyrábí, tedy s výjimkou konstrukcí založených na jediném mikrokontroléru. Postavit si přepínač k osciloskopu má stále smysl, ale podmínky se změnily, a s nimi se musí změnit i způsob práce přepínače.
Nejprve si připomeňme princip většiny přepínačů k analogovým osciloskopům. Vakuová obrazovka měla jen jeden systém pro kreslení stopy. Stopa vytvořená na stínítku elektronovým paprskem měla jen malý dosvit, obvykle v řádu desetin vteřiny, a i v této době výrazně ztrácela jas. Pokud jsme chtěli zobrazit obdélníkový signál s velmi strmými hranami, tyto hrany prakticky nebyly vidět, průběh se zobrazil jako dvě samostatné střídavě přerušované vodorovné čáry. Právě toho přepínače využívaly.
Blokové schéma analogového osciloskopu se zabudovaným přepínačem
Přepínač měl dva vstupy (kanály), někdy vybavené i vstupními zesilovači a nastavitelnými děliči amplitudy. Pak se k signálu v každém z kanálů přičetlo volitelné stejnosměrné napětí, které vytvořilo posunutí dané stopy nahoru nebo dolů od středu. S frekvencí stovek až tisíců Hz se vstup již jediného (vysokonapěťového) zesilovače před obrazovkou střídavě připínal na signál z jednoho nebo druhého kanálu. Protože přepínání probíhalo velmi rychle, svislé čáry vzniklé při přepínání byly slabé až neviditelné.
Přepínání většinou nebylo se vstupním signálem synchronizované. Pokud byla frekvence přepínání podstatně větší než frekvence časové základny, vykreslovaly se stopy zdánlivě současně a šlo o režim „chopper“ vhodný pro nižší frekvence. Na dvou stopách bylo možné zobrazit i pomalý jednorázový děj. Když se náhodně stala frekvence přepínání celistvým násobkem frekvence časové základny, zobrazily se obě stopy jako čárkované nebo tečkované čáry. Pokud bylo přepínání podstatně pomalejší než časová základna, bylo možné zapnout režim „alternate“ obecně vhodný pro vyšší kmitočty. Vykreslení stop se pravidelně střídalo. Někdy se nepřepínalo synchronizovaně s časovou základnou, ale vykreslila se několikrát jedna stopa a pak několikrát druhá. Dosvit způsobil, že byly vidět obě stopy současně a stejně intenzivně, ovšem jednorázový děj takto zobrazit nešlo.
Použít pro digitální osciloskop stejný přepínač je problematické. Digitální osciloskopy většinou pracují se zobrazením „line“, kdy se navzorkované body signálu spojují rovnou stále stejně intenzivně zobrazenou čárou, takže i ideální obdélníkový signál se ukáže včetně svislých hran. To znamená, že by se jako nepřehledná znět svislých čár zobrazilo i přepínání stop. „Line“ můžeme vypnout a nechat zobrazovat jen jednotlivé body, jenže i pak se náhodně vzorkování strefí do přeběhu mezi stopami a v obraze bude mnoho poblikávajících bodů. Výhodou je, že u digitálního osciloskopu můžeme nastavit několik sekund dlouhý dosvit a většinou se jas stopy s postupem času nemění.
Důležitým rozdílem je to, že u analogového osciloskopu byl okamžik synchronizace vždy u levého okraje stopy a často dokonce až za ním, takže ani přeběhy v režimu „alternate“ nerušily, byly mimo zobrazenou plochu. U digitálního osciloskopu bývá bod synchronizace standardně uprostřed, případné přechodové jevy vyvolané přepínáním jsou vidět. Mimo obraz je musíme posunovat ručně spolu s bodem synchronizace. Dvě stopy digitálního osciloskopu vytváří dva v podstatě nezávislé a jen synchronizované systémy vzorkování, takže lze na obou současně zachytit i rychlý jednorázový děj.
K čemu přepínač u digitálního osciloskopu? V nejjednodušším případě k tomu, aby bylo možné současně ukázat jednu analogovou stopu a druhou přeměnit na čtyři stopy pro digitální signál. Technicky může být stop víc, třeba šestnáct, ale vedle analogové se zpravidla víc než čtyři digitální stopy už při přehledném zobrazení nevejdou. Proč jen digitální stopy a ne analogové? Rastr v obraze mívá na výšku 8 (6 až 10) dílků a digitální signál, který se „vejde“ do jednoho dílku je velmi dobře čitelný. U analogového se dá hrubě rozeznat tvar, ale na nějaké měření tato velikost nestačí. Kromě toho, aby se u analogových stop zachovaly příznivé parametry (velký vstupní odpor a malá kapacita), musel by mít každý vstup před sloučením se stejnosměrnou složkou posunutí stopy vlastní zesilovač schopný přenést celý přípustný rozsah frekvencí, což už je poměrně náročné. Smíříme-li se s nízkým vstupním odporem, stopy mohou pracovat i analogově.
Osobně za optimální považuji analogové stopy s nízkým vstupním odporem používat pro zobrazení digitálního signálu. Na rozdíl od plně digitálních stop (po průchodu signálu tvarovacími obvody) to dovolí pozorovat i kvalitu hran a zákmity na nich mnohem dřív, než se projeví nežádoucí změnou logické úrovně.
Schéma čtyřnásobného přepínače
Na obrázku je schéma přepínače tvořeného jen dvěma IO. Základem je multiplexer 74HC4052. Jedna jeho polovina přepíná čtyři vstupy, druhá synchronně přepíná napětí z odporového děliče tvořeného rezistory 100 Ω, které určuje pevnou polohu stop s pravidelným odstupem. Samozřejmě je možné zapojení modifikovat i tak, aby byly polohy jednotlivých stop nezávisle nastavitelné potenciometry. Oba výstupy z multiplexerů se sečtou na rezistorech a signál jde do osciloskopu bez jakéhokoli zbytečného zpoždění. Trimrem (a svislým posuvem stopy na osciloskopu) se nastaví čtyři stopy tak, aby „seděly“ na rastru. Výška digitálního signálu (pro obvody TTL s napájením 5 V) je asi 60% odstupu mezi stopami, pro 3 V logiku je vhodné upravit (zmenšit) hodnotu rezistoru 15k.
Zajímavější je sledovat, kdy se přepíná, a jak je potřeba sladit nastavení přepínače a osciloskopu. K synchronizaci se používá jeden pevně daný vstup (0), k němu je připojen i vstup dvojitého čítače 74HC393. Pokud se liší, signál připojený na tento vstup by měl mít nejnižší frekvenci. Po vydělení dvěma, čtyřmi, osmi nebo šestnácti se z tohoto signálu generuje synchronizace pro osciloskop, k přepínání slouží pole kontaktů 2×4 a propojka. Druhá polovina čítače dál dělí výstup a vytváří dvoubitovou adresu pro multiplexer. Pro velmi nízké frekvence, kdy přepínání vytvoří jen jednu tenkou svislou čáru přes všechny zobrazené stopy, volíme dělení dvěma, a smíříme se se zobrazením přepínání na displeji. Urychluje to práci a to je při malých frekvencích podstatné.
Standardní dělící faktor je 4, při něm posuneme bod synchronizace vlevo od zobrazené plochy displeje, na něm máme vykreslené dvě celé periody signálu (možná trochu víc) a další zbytek po přepínání zůstane vpravo opět mimo zobrazený rozsah. Obraz je čistý i v režimu line, bez zbytků z přepínání.
S rostoucí frekvencí se začne uplatňovat omezená rychlost přepínání a tím se deformuje průběh v okolí bodu synchronizace. Proto nastavíme vyšší dělicí poměr 8 nebo 16 a z odpovídajícího počtu period signálu (ze vstupu 0) zobrazíme jen ty pozdější, například periody 10 až 14. Přechodové děje deformující až 10 period signálu zůstanou mimo zobrazení (vlevo). Při takovém nastavení ale musíme sáhnout po časové základně v řádu desítek ns na dílek. Teoreticky by mělo jít zlepšit parametry přepínání zavedením záporného napětí asi -4 V na vstup VEE multiplexeru, ale v praxi se mi toto nepotvrdilo, změna nebyla znatelná.
Výstupní signál z čtyřkanálového přepínače (jedna perioda synchronizovaná sestupnou hranou)
Takto vypadá výstupní signál. Je stupňovitý s namodulovaným signálem na jednotlivých stupních, v daném případě je na stupni nulté stopy 8 period signálu. My se ale na tento signál musíme dívat se zcela jiným nastavením osciloskopu. Zvolíme DC režim kanálu osciloskopu a případně vypneme frekvenční filtry, nastavíme citlivost kolem 500 mV/d, vypneme vyhlazování (průměrování) průběhu z více period, přepneme na externí synchronizaci a zrychlíme časovou základnu, aby se ukázaly čtyři stopy nad sebou. Budou blikat, nastavíme přiměřeně vyšší dosvit, ale jen takový, aby blikání zmizelo. Přesuneme bod synchronizace vlevo mimo zobrazenou plochu.
Signál na displeji dvoukanálového osciloskopu (zde ještě včetně zbytků z přepínání)
Toto je výsledek s jednou analogovou stopou nahoře (napětí na časovací kapacitě u obvodu 555) a čtyřmi „digitálními“ stopami se stavy navazujícího BCD čítače. Průběh záměrně ukazuje čtyři celé periody včetně dvou svislých čar vzniklých při přepínání stop, v praxi bychom zkrátili časovou základnu na polovinu a čáry vysunuli mimo obraz. V tomto případě je přepínání dostatečně rychlé na to, aby viditelně stopy nedeformovalo. Následující obrázek ukazuje to, co je vidět při správném nastavení.
Stejné zobrazení už bez zbytků přepínání
Pro rychlejší signály dochází k tomu, že se uplatní kapacita vstupu osciloskopu a jeho kabelu, která není malá. Signály mají zaoblené hrany, nižší úroveň, pak se úplně ztrácejí. Kompenzační kondenzátor (v daném případě 5p6) musíme vybrat tak, aby se i při obdélníkovém vstupním signálu s frekvencí 1 MHz zobrazovaly hrany bez překmitů a zaoblení stejně jako na samostatné analogové stopě. V podstatě je to obdoba nastavení frekvenční kompenzace sondy osciloskopu podle signálu z kalibrátoru. Je lepší použít laditelný kapacitní trimr 10 nebo 15 pF.
Nepoužité vstupy přepínače zásadně uzemňujeme, jinak se na nich objeví přeslechy z ostatních vstupů. Stopy jsou v principu analogové, jde s nimi pozorovat i přechodové jevy nebo nejrůznější obecné analogové signály, ale mají pevně danou vertikální citlivost, tím je jejich použitelnost omezená. Nezachovávají pevný celistvý dělicí poměr, takže odečítat napětí z nich půjde jedině porovnáváním. Je-li osciloskop vybaven nezávislým čítačem, pak jeho zobrazovaná frekvence nedává smysl, neodpovídá ani frekvenci přepínání, ani signálu. Odečítání času kurzory pochopitelně pracuje správně.
Multiplexer přepíná bez problémů signál s frekvencí nejméně 50, běžně 100 MHz, takže většinou nebude příliš frekvenčně ovlivňovat průběh digitálního signálu. S úrovní je to jiné, obvod limituje průchozí napětí v mezích přibližně -0,8V až (Ucc + 0,5 V). Musíme zajistit, aby se napětí mimo tento rozsah na vstup nedostávala, menší zákmity neuškodí. Případné zákmity na hranách vidíme na přepínaných stopách vždy limitovaně (oříznuté mezemi), takže se nesnažíme takto měřit jejich amplitudu, ale daný vstup přepojíme na původní (druhou) analogovou stopu a až s její pomocí zákmity změříme.
Jednorázové děje takto snímat nelze, signál musí být periodický. Průběhy z různých stop, které vidíme nad sebou, reálně pocházejí z různých period od sebe velmi vzdálených. Frekvenční rozsah je shora omezen jen vlastnostmi osciloskopu a nastavením dělicího poměru (vyloučením části deformované přepínáním), zdola délkou digitálního dosvitu. Při malých frekvencích je cenou za přepínání a jednoduchost zapojení pomalé měření (nejvýše délka dosvitu). Smíříme-li se s delší dobou a nastavíme nekonečný dosvit, může jedno obnovené vykreslení trvat i mnoho desítek sekund.
Spotřeba přepínače je kolem 10 mA. Můžeme jej napájet ze samostatného zdroje, ale pohodlnější je připojit jej přes LC filtr tvořený tlumivkou 100 μH a kondenzátorem 470 μF (+ keramickými blokovacími kondenzátory 47 nF u IO) přímo na napájení vyvedené z USB konektoru osciloskopu. U některých přístrojů by rušení po napájení mohlo případně dělat problémy, to je nutné vyzkoušet.
Uvedený přípravek, který si vystačí s materiálem v ceně 30 – 50 Kč (včetně konektorů a univerzální DPS), nám dovolí sledovat periodické děje podobně jako pětikanálový osciloskop. Samozřejmě má svá omezení, ale ta nejsou v zobrazené frekvenci nebo věrnosti průběhu na přepínaných stopách, ale právě v požadavku na periodicky se opakující signál, samozřejmě také v nemožnosti nastavit různou a větší citlivost jednotlivých vstupů, a konečně v malém vstupním odporu přepínaných kanálů. Není to žádný „zázrak“ schopný vyřešit všechny možné situace, ale myslím, že o něm lze bez přehánění říct, že „za málo pěnez dodá hodně muziky“.
Kat. 1