Wczytuję dane...
Oscyloskopy cyfrowe – podstawowe parametry użytkowe

Oscyloskopy cyfrowe – podstawowe parametry użytkowe

mgr inż. Karol Kuczyński

Oscyloskopy są jednymi z najbardziej wszechstronnych przyrządów stosowanych do badań inżynierskich. Mogą być stosowane w diagnostyce urządzeń elektronicznych i energoelektronicznych. Oscyloskop najczęściej jest stosowany do obserwacji napięcia w funkcji czasu lub przebiegu napięciowego proporcjonalnego do mierzonego sygnału elektrycznego (np. prądu). Przy zastosowaniu oscyloskopu można między innymi mierzyć czas, częstotliwość,

kąt przesunięcia fazowego, moc oraz wyznaczać charakterystyki diod, tranzystorów i innych elementów. Podstawowy podział oscyloskopów est na analogowe i cyfrowe choć można spotkać również pewne ich modyfikacje jak na przykład oscyloskopy z lampą pamiętającą [1, 3].

przykłady wykonania

Obok typowych oscyloskopów stacjonarnych w postaci kompletnego przyrządu (ang. bench oscilloscopes), konstrukcje oscyloskopów ograniczony do obwodu (układu) realizującego

akwizycję danych, natomiast wszelkie funkcje sterujące oraz obróbka danych są przeprowadzane w komputerze klasy PC. Produkowane obecnie takie oscyloskopy (ang. PC-based oscilloscpes) mają formę przystawki połączonej z komputerem PC za pośrednictwem interfejsu komunikacyjnego

szeregowego, równoległego, VXI, USB lub Ethernet. Drugim typem oscyloskopu jest oscyloskop

w formie karty instalowanej bezpośrednio w komputerze PC ze złączem typu PCI. Funkcje użytkowe oscyloskopu klasy PC-based są realizowane na poziomie oprogramowania komputera

PC. W porównaniu z oscyloskopami stacjonarnymi, oscyloskopy klasy PC-based charakteryzują się

zazwyczaj gorszymi parametrami dynamicznymi, mają natomiast lepsze możliwości obróbki danych, bo zależne jedynie od możliwości sterującego komputera PC. Trzecią grupą oscyloskopów

cyfrowych są oscyloskopy przenośne (ang. handheld oscilloscopes) o zasilaniu bateryjnym wyposażone w ekran ciekłokrystaliczograniczony LCD. Ich parametry dynamiczne są porównywalne z oscyloskopami klasy PC-based, natomiast właściwości użytkowe uboższe niż oscyloskopów laboratoryjnych, dlatego też stanowią najtańszą grupę oscyloskopów cyfrowych.

oscyloskop cyfrowy

W oscyloskopie cyfrowym badany sygnał jest przetworzony do postaci cyfrowej za pomocą przetwornika analogowo cyfrowego A/C i zapamiętany w pamięci oscyloskopu. Zastosowanie

techniki cyfrowej umożliwia cyfrowy pomiar parametrów sygnału oraz dodatkowe funkcje jak całkowanie lub różniczkowanie przebiegu, analizę widmową i uśrednianie. Przetworzony

sygnał może być zapamiętany, co umożliwia wyświetlenie na ekranie oscyloskopu wielu sygnałów.

Na rysunku 1 przedstawiono schemat blokowy typowego oscyloskopu cyfrowego.

Oscyloskopy cyfrowe są wyposażone w wyświetlacz ciekłokrystaliczny LCD lub LED, w którym mechanizm sterowania plamką jest zupełnie inny niż w oscyloskopach analogowych. Ekran LCD jest matrycą pikseli, które są pobudzane do świecenia wysłaniem przez układ sterujący sygnału na adres odpowiedniego piksela. Wyświetlacze LCD umożliwiają zobrazowanie wielu przebiegów sygnałów w różnych kolorach jednocześnie. Istotnym zadaniem oscyloskopu jest unieruchomienie i wyświetlenie badanego przebiegu sygnału. W oscyloskopach cyfrowych dzięki zapisaniu

spróbkowanego sygnału w pamięci może być on z niej odtwarzany lub zatrzymany w sposób naturalny dowolną ilość razy. Zaletą oscyloskopów cyfrowych jest możliwość zapamiętywania

badanych przebiegów i przesyłania ich do urządzeń zewnętrznych przy zastosowaniu interfejsów. Dzięki temu jest możliwe sterowanie przy pomocy komputera funkcjami, nastawami lub pomiarami oscyloskopu lub przesłanie obrazu z ekranu oscyloskopu do komputera [1, 2].

Oscyloskopy cyfrowe nie są pozbawione wad. Podobnie jak inne układy wykorzystujące cyfrowe przetwarzanie sygnałów w oscyloskopach cyfrowych należy stosować filtry antyaliasingowe,

aby zgodnie z twierdzeniem Shannona nie dopuścić do zjawiska nakładania się widm, w przypadku

kiedy w badanym sygnale znajdują się składowe o częstotliwości większej od połowy częstotliwości próbkowania [4].

Częstotliwość próbkowania przetworników A/C stanowi również ograniczenie dla górnej granicy pasma częstotliwości oscyloskopów cyfrowych, która dla najszybszych przetworników nie przekracza kilkudziesięciu gigaherców.

zobrazowanie przebiegu

Stosowane w oscyloskopach cyfrowych przetworniki analogowo-cyfrowe są w najpopularniejszych rozwiązaniach zazwyczaj 8-bitowe (rzadziej 10- lub 12-bitowe). Natomiast długość przebiegu wyświetlanego na ekranie wyrażona liczbą próbek wynosi zazwyczaj od 1024 do 10000. Obraz

przedstawiany jest na ekranie na podstawie ciągu próbek, które są wynikiem kolejnych przetwarzań, może mieć postać przebiegu złożonego ze znaczników punktowych odpowiadających

kolejnym wartościom przebiegu (zobrazowanie punktowe) lub jako przebieg ciągły uzyskany w efekcie interpolacji liniowej lub interpolacji sinusoidalnej.

Interpolacja liniowa jest najprostszą formą rekonstrukcji przebiegu sygnału. Polega ona na łączeniu liniami prostymi punktów widocznych w zobrazowaniu punktowym przebiegu. Jest ona wystarczająca do rekonstrukcji przebiegu sinusoidalnego w przypadku gdy na jeden okres przypada

co najmniej kilkadziesiąt próbek, oraz dla przebiegów nieokresowych lub odkształconych. Natomiast interpolacja sinusoidalna może być stosowana jedynie do rekonstrukcji sygnałów sinusoidalnych. Daje ona prawidłowy obraz w przypadku kilku próbek pobranych w jednym okresie. W przypadku zastosowania jej do rekonstrukcji sygnałów impulsowych mogą wystąpić duże zniekształcenia przebiegów. W oscyloskopach cyfrowych istnieją mechanizmy automatycznego lub ręcznego przełączania rodzaju rekonstrukcji przebiegu.

Obraz wyświetlony na ekranie oscyloskopu uzyskuje się w efekcie akwizycji, której rodzaj można zmieniać w zależności od potrzeb (rys. 2.). Podstawowym rodzajem akwizycji,

występującym we wszystkich rodzajach oscyloskopów cyfrowych, jest

próbkowanie (ang. sampling). Na ekranie uzyskuje się obraz bezpośrednio odtwarzający sygnał badany (rys. 2a). Drugim rodzajem akwizycji występującym powszechnie jest uśrednianie (ang. averaging) (rys. 3C, 3d). W tym trybie wyświetlony obraz przebiegu jest średnią z wybranej

(nastawionej) liczby zarejestrowanych rekordów tego samego przebiegu. Uśrednianie może mieć zastosowanie jedynie do przebiegów okresowych. W wyniku uśredniania redukuje się szum lub zakłócenia impulsowe oraz poprawia się rozdzielczość obrazu w kierunku pionowym. W przypadku

występowania na tle sygnału nieskorelowanego szumu, uśrednianie poprawia stosunek sygnału do

szumu √n -krotnie, gdzie n oznacza liczbę przebiegów poddanych uśrednianiu. Zastosowanie uśredniania o dużej krotności (n > 100) daje możliwość obserwacji fragmentów sygnału

nie widocznych w innych przypadkach.

Kolejnym rodzajem akwizycji jest „wychwytywanie anomalii” (ang. peak detection) występujących na przebiegu (rysunek 3b). Wychwytywanie jest realizowane niezależnie od nastawionej podstawy

czasu, tak więc na obrazie są uwidaczniane „szpilki” o bardzo krótkim czasie trwania, niewidoczne

w trybie próbkowania normalnego.

literatura

1. A. Chwaleba, M. Poniński, A. Siedlecki, Metrologia elektryczna, WNT, Warszawa 2009.

2. Metrologia, red. L. Swędrowski, WPG, Gdańsk 2011.

3. J. Rydzewski, Pomiary Oscyloskopowe, WNT, Warszawa 1999.

4. S. Tumański, Technika pomiarowa, WNT, Warszawa 2007.

5. K. Kuczyński, Oscyloskopy analogowe i cyfrowe – podstawy budowy i działania, „elektro.info”

9/2013.

6. Materiały dydaktyczne Politechnika Łódzka

Źródło: Elektro Info 1-2/2016