Osciloskop M526 – v školskej praxi

Kedysi dávno vyslovil Galileo Galilei vetu: Merajte, čo je merateľné, a čo merateľné nie je, urobte merateľným.

Aj napriek niekoľkým storočiam, ktoré nás od čias Galilea delia, jeho odkaz ani dnes nestratil nič na platnosti. Do škôl zameraných na elektrotechniku dnes prichádzajú študenti, ktorí by sa mali oboznámiť s tým najlepším a najmodernejším, čo veda a technika v oblasti meracej techniky ponúka.

K takým prístrojom určite patrí USB osciloskop z typovej rodiny M520, ktorý vyrába a dodáva firma ETC so sídlom v Žiline. Ide o dvojkanálový pamäťový osciloskop, ktorý sa k počítaču pripája cez rozhranie USB 2.0.

Základné technické údaje:

• vertikálny vychyľovací systém – počet dielikov 8, počet bodov na dielik 32,
• citlivosť v rozsahu 10 mV/d až 5 V/d s krokom 1 – 2 – 5, rozlišovacia schopnosť 8 bitov,
• frekvenčný rozsah DC: 0 Hz až 150 MHz, AC: 1,2 Hz až 150 MHz,
• vstupný odpor 1 MΩ, vstupná kapacita 29 pF±1pF,
• maximálne pripojiteľné napätie ± 200 V na ľubovoľnom rozsahu do frekvencie 100 kHz,
• spúšťacie obvody majú dvojúrovňový spúšťací systém s možnosťou voľby spúšťania od kanálu A, kanálu B a z externého vstupu spúšťania,
• vzorkovací systém má 10 horizontálnych dielikov a počet bodov na dielik je 50,
• dĺžka záznamu je nastaviteľná od 1 024 až po 1 048 576 (1 M) vzoriek pre každý kanál,
• rozsah nastavenia časovej základne v režime 1 : 1 5 ns/d až 100 ms/d v krokoch 1 – 2 – 5,
• rozsah vzorkovacej frekvencie v reálnom čase 500 Hz až 100 MHz,
• rozsah ekvivalentnej vzorkovacej frekvencie 500 Hz až 10 GHz.

Meranie osciloskopom sa v školských laboratóriách robí takmer na každej hodine praktických cvičení. Vymenovať všetky zadania, kde sa osciloskop používa, by bola strata času. Vybral som niekoľko typických príkladov použitia osciloskopu v školskej praxi, ktoré najlepšie demonštrujú vlastnosti osciloskopu M526, ktoré nie sú bežnou súčasťou vybavenia iných osciloskopov. Je samozrejmé, že osciloskop sa dá použiť pre všetky klasické merania.

Na obr. 1 je okno osciloskopu. Osciloskop zobrazuje priebeh vytvorený pomocou generátora ľubovoľných priebehov M531, ktorého vlastnosti som opísal v DPS elektronika od A do Z č. 1/2014, strana 62–63. Takýto tvar priebehu som zvolil preto, aby sa na ňom dali ukázať vlastnosti osciloskopu v oblasti merania parametrov signálov. Voľbou zobrazenia parametrov signálu – Wp sa na obrazovke zobrazí tabuľka, ktorá je na obr. 2. Tabuľka obsahuje veľké množstvo údajov o signáli, ktoré sú okamžite k dispozícii a nevyžadujú už žiadne dodatočné merania. Oblasť využitia tohto režimu je od merania strednej a efektívnej hodnoty napätí cez meranie parametrov impulzov až po meranie rýchlosti priebehu operačných zosilňovačov. Obr. 1 je využitý aj na demonštráciu možnosti vytvorenia masky k priebehu, ktorá umožňuje definovať v časovej aj amplitúdovej oblasti hodnoty, ktoré signál nesmie prekročiť. Tento režim sa dá vyučiť napríklad na cvičeniach z elektroniky a praxe, kde sa zhotovujú výrobky, ktoré treba nastaviť na požadované parametre.

Obr. 1 Otvorené okno osciloskopu

Obr. 2 Tabuľka odmeraných hodnôt signálu

Meranie prenosových vlastností pasívnych aj aktívnych dvojbrán tvorí veľkú časť učiva na stredných školách zameraných na elektrotechniku. Merače fázového posuvu sú na školách (a nie iba na nich) skôr raritou ako realitou.

Obr. 3 Schéma zapojenia

Obr. 4 Priebeh signálov a odmeraný fázový posuv

Môžeme si pomôcť nepriamym meraním – osciloskop + výpočet, ale tu máme priamo ukazujúci merač fázového posuvu. Na obr. 3 je schéma zapojenia dvojbrány použitej na meranie fázového posuvu medzi vstupným a výstupným napätím. Pri frekvencii 41 kHz sme pomocou funkcie Pf odmerali fázový posuv – 38,8°. Obr. 4 znázorňuje priebeh signálov a odmeranú hodnotu fázového posuvu. Môžeme porovnať odmeranú hodnotu s vypočítanou zo vzťahu (1).

Rozdiel medzi odmeranou a vypočítanou hodnotou je minimálny, iba 0,2° (0,52 %).

Obr. 5 Zobrazenie spektra pravouhlého signálu

Osciloskop má aj funkciu rýchlej Fourierovej transformácie – FFT, ktorá sa dá použiť na zobrazenie spektra signálu. Ako príklad je znázornené spektrum symetrického pravouhlého signálu, ktorý má amplitúdu ± 2,07 V a frekvenciu 1,034 kHz. Kurzor je nastavený na 9. harmonickú, ktorej frekvencia je 9,302 kHz, amplitúda 293,52 mV a fáza 81,7°. Celé spektrum je na obr. 5. Fourierov rad pre symetrický pravouhlý priebeh má podobu vzťahu (2). Priebeh obsahuje iba nepárne harmonické.

kde v je amplitúda.

Amplitúdu 9. harmonickej vypočítame zo vzťahu (3).

Odmeraná hodnota má veľkosť 293,52 mV, vypočítaná 292,85 mV. Rozdiel je nepatrný, iba 0,67 mV (0,23 %).

Osciloskop M526 je výnimočný tým, že kúpou jedného prístroja získame v podstate tri prístroje. Okrem osciloskopu je to osciloskop s pomalobežným režimom a spektrálny analyzátor, ktorý umožňuje zobraziť spektrum signálov v rozsahu od 2 Hz do 50 MHz. Na obr. 6 je zobrazené spektrum signálu, ktorý sa objaví na výstupe tranzistorového zmiešavača napájaného dvoma signálmi s rozdielnymi frekvenciami. V malom okienku pod zobrazením spektra je vidieť rozsah zobrazenia spektra od 8,94 kHz do 40 kHz. Kurzormi sme odčítali, že pri modrom ide o zložku s frekvenciou 10,02 kHz a úrovňou – 10,2 dB a pri červenom o zložku s frekvenciou 20,04 kHz a úrovňou 24,4 dB. Použitie spektrálneho analyzátora nie je v školskej praxi časté. Skôr naopak. Prístroje sú veľmi drahé a máloktorá škola si môže dovoliť zakúpiť prístroj, ktorý použije iba raz či dvakrát v roku. Spektrálny analyzátor, ktorý je súčasťou osciloskopu M526, umožní žiakom sledovať spektrá AM, FM, resp. iných modulácií a sledovať produkty zmiešavania signálov.

Obr. 6 Zobrazenie spektra signálov na výstupe zmiešavača

Ďalšou možnosťou osciloskopu je použitie pomalobežného režimu, ktorý umožňuje zber dát. Množstvo dát nie je obmedzené internou vyrovnávacou pamäťou osciloskopu. V rozsahu vzorkovacích frekvencií 50 S/s až 5 MS/s je možné nepretržité ukladanie nameraných údajov na disk. Veľkosť výsledného súboru je obmedzená iba kapacitou disku. Ukladané dáta sa pri zbere zobrazujú na obrazovke prístroja. Akýkoľvek uložený súbor je možné prezerať a robiť na ňom meranie. Pomalobežný režim je súčasťou štandardne dodávanej zostavy osciloskopu rovnako ako spektrálny analyzátor.

Osciloskop M526 je univerzálnym nástrojom na každodenné používanie v laboratóriách slaboprúdových meraní v školách so zameraním na elektrotechniku. Veľké množstvo funkcií, jednoduché ovládanie a veľmi príjemné používateľské prostredie sú hlavnými prednosťami práve teraz predstaveného osciloskopu M526.

Ďalšie informácie o osciloskope M526 a ďalších výrobkoch nájdete na webových stránkach spoločnosti ETC s. r. o. www.etc.sk.