Měření osciloskopem

Osciloskop patří mezi nejdůležitější a nejpoužívanější měřicí přístroje. Zatímco analogový osciloskop umožňoval určování základních časových a amplitudových parametrů (nebo fáze pomocí režimu X-Y) a to hlavně prostým odečtem a přepočítáním z rastru obrazovky, digitální osciloskopy se stávají ve spolupráci s interními i externími aplikacemi přístrojem, který poskytuje velmi sofistikované nástroje a z nich plynoucí výsledky. Možnosti jsou nyní tak rozsáhlé, že bychom možná zaplnili knihu.

Na úvod je třeba říci, že osciloskop zůstává stále osciloskopem a zachovává si tak některé vlastnosti. Jako takový má své limity a jedním z podstatných bodů je použití osciloskopu dostatečně rychlého pro daný problém a jeho správné připojení. Nezměnit poměry v proměřovaném místě tak, že na obrazovce osciloskopu bude zobrazen signál odpovídající signálu, který se v daném místě vyskytuje i bez připojeného osciloskopu. Například měření ve spínaném zdroji bez diferenciální sondy povede buď k destrukci měřeného objektu nebo k uzemnění příslušného místa díky propojení země osciloskopu s ochranným vodičem. Takové výsledky jsou pak naprosto „zcestné“.

Při měření osciloskopem hrají roli tři hlavní faktory. Pásmo osciloskopu, rychlost vzorkování a rozlišení převodníku. Osciloskopy jsou osazovány kvůli rychlosti převodu osmibitovými převodníky. Vzhledem k reálným technologiím ale počet efektivních bitů v současné době nepřesahuje 7, tedy 1/128. Celková přesnost ve vertikální ose je pak udávána v jednotkách procent. Kromě toho je vertikální osa zatížena i vlastnostmi vstupních obvodů osciloskopu a tak je celková přesnost udávána v jednotkách procent. Pro frekvence od 20 % udávané šířky pásma tato chyba dosahuje jednotek procent. Definice šířky pásma osciloskopů předpokládá pokles o max. 3 dB, což ovšem představuje v napěťové oblasti téměř 30% chybu při měření amplitudy. Skutečné vstupní charakteristiky jsou pak velmi vzdálené ideálním křivkám frekvenční charakteristiky dle vztahu:

kde je

AU ukazovaná amplituda

A amplituda signálu

fBW šířka pásma

Rychlost vzorkování definuje přesnost rekonstrukce signálu z diskrétních bodů a určuje jak rychlou změnu je osciloskop schopen zobrazit. Podvzorkovaný signál (chyba typu aliasing) zrekonstruuje signál špatně, hrany jsou zrekonstruovány se zákmity (podobné zákmity se objeví i při použití DSP korekcí u nejrychlejších osciloskopů). Všudypřítomný parametr šířky pásma i zde hraje roli, především u měření rychlosti hran. Protože vstupy osciloskopu díky své impedanci mají vlastní časovou konstantu, je ve výsledku měření zahrnuta i vlastní doba náběhu osciloskopu.

Výsledná doba náběžné (nebo spádové) hrany je vyjádřena vztahem:

ts je skutečná doba náběhu

fBW je šířka pásma

Výsledné zkreslení výsledku je možné brát za maximální možnou chybu, protože šířka pásma je většinou udávána s rezervou, která chybu snižuje. V případě, že v měřicí aparatuře je obsažena sonda, je třeba do předchozího vztahu zahrnout člen

Výhodou může být, že tato chyba celého řetězce se dá změřit a případně ji ve výsledku eliminovat. Na obr. 1 je signál s hranou ca 200 ps změřen jako 1,243 ns (1 ns je zpoždění způsobené BW osciloskopu 350 MHz), 200 MHz na kanálu 2 (modrý průběh) má hranu evidentně nejpomalejší (teoreticky +2 ns). Jak je vidět na obr. 2, původní čistý signál rychlé hrany (žlutá) je po připojení 500MHz (růžová) a 200 MHz (modrá) sondy zcela zkreslen impedančním zatížením a nepřizpůsobením signálové cesty jako celku. Díky tomu je výsledek automatického měření u optimálního zakončeného vedení vlastně nejhorší. Obecně lze říci, že osciloskop není příliš přesný přístroj a chyba měření je velmi závislá na použitém zapojení, nastavení osciloskopu i na měřeném signálu.

Obr. 1 Rychlá náběžná hrana, připojení kabelem

Aktuální možnosti měřicích funkcí jsou velmi rozsáhlé. Měření základních parametrů je již v nejlacinějších modelech, vyšší třídy pak přidávají statistické funkce, histogramy, vyhodnocování trendů. Z pohledu uživatele je však někdy velmi těžké se dopátrat, kde je daná hodnota měřena. Právě například měření rychlosti náběžné hrany toho může být příkladem. Pokud je v paměti osciloskopu zaznamenáno např. 100 hran, na které měření vlastně probíhá? Bohužel záleží na výrobci. Měření však nejčastěji probíhá buď na první hraně v paměti, nebo na první hraně na obrazovce. Lepší osciloskopy umožňují zapnout indikátory, které ukáží, kde měření probíhá a zároveň nabízejí nějakou metodu, jak měřit v definovaném místě. Protože detaily rozhodují, chytrý osciloskop poznáte tak, že si můžete vybrat oblast, ve které chcete provést třeba měření efektivní hodnoty. Digitalizace rozšířila podstatně i možnosti vytvoření matematického kanálu(ů). Základní modely nenabídnou více než součet, rozdíl, součin kanálů plus případně FFT (viz níže). Střední třída může nabídnout vytvoření rovnice využívající měřené parametry, konstanty, více matematických operací i mezi více kanály. Mocnina, odmocnina, goniometrické funkce… integrál a derivace. U derivace je velmi často výsledek na první pohled neodpovídající představě, zde bohužel dochází opět k vlivu malého rozlišení, šum převodníků zde páchá velké škody. Nejčastěji se matematika používá pro měření výkonu. To je problematika poměrně zajímavá, ale rozsáhlá. Při měření spínaného výkonu rychlých polovodičů a dalších podobných úloh je zásadním problémem časový posun mezi elektrickými cestami napětí a proudu (proudová sonda má většinou delší dobu šíření).

Obr. 2 Identická hrana, měření kabelem + sondami

Rozdíly měřených hodnot pak dosahují i stovek procent. Nejlepší osciloskopy nabízejí speciální připravené analytické měřicí nástroje právě na analýzu výkonu, jitteru, měření diagramů oka. Matematických kanálů můžete mít více a používat matematický kanál v matematickém kanálu. Jednou z prvních složitějších funkcí, která byla do osciloskopů implementována je FFT, rychlá Fourierova transformace. Ta už se objevuje nyní i v nižších třídách osciloskopů. Rozdíl lze nalézt hlavně v počtu bodů, ze kterých osciloskop FFT počítá a v možnostech nastavení okénkových funkcí, možnost lupy a měření nad tímto matematickým kanálem. Velmi často je FFT omezena na 1024 bodů, i když osciloskopy mají záznamovou paměť delší. Hodnota informace spektrální analýzy je u osciloskopu určena počtem bodů pro výpočet (obecně musí být 2n, čím více, tím lepší rozlišení ve frekvenční oblasti), dále počtem period signálu pro výpočet (v 2n vzorcích má být celistvý počet period, u osciloskopu takřka nemožné. Jinak obecně postačuje jedna celá perioda, pokud ale navzorkujeme 1,5 periody, ona půlperioda je vlastně navíc a výpočet zatíží chybou. Proto je třeba nastavit časovou základnu tak, aby výpočet FFT proběhl nad několika desítkami period. Čím méně period, tím větší důraz na použití okének, kterými se tato necelistvost period koriguje).

Obr. 3 FFT signálu složeného ze tří harmonických

Zajímavé také je, že pokud osciloskopy mají FFT, jako první (a občas jediné) se objevuje měřítko v decibelech. Tato stupnice je velmi vhodná pro RF aplikace, u osciloskopů nám však dobrý pocit kazí velikost šumu způsobená malým počtem efektivních bitů převodníků. Někdy je tedy lepší nastavit měřítko lineární, už z toho důvodu, že v decibelech se většina běžných elektroniků příliš rychle neorientuje. Měřítko v mV je pro ně přívětivější. Na obr. 3 je obdélníkový průběh složený z 1, 3 a 5 harmonické složky. Provedená FFT ukazuje správně jednotlivé amplitudy, kurzor dva je umístěn na konec analyzovaného spektra – 1,25 GHz. To odpovídá vzorkovacímu teorému, osciloskop má vzorkování 2,5 GSa/s. Obrázek je zde ale i kvůli náhledu z druhé strany – přivedeme-li obdélníkový signál 100 MHz na osciloskop se šířkou pásma 500 MHz, zobrazovaný signál na obrazovce bude vypadat podobně. Přes vstupní obvody totiž projde pouze 1, 3 a 5 harmonická. Ostatní harmonické budou systémem zatlumeny. Pro snížení šumu lze použít případně některou z metod průměrování. Pomocí externího matematického zpracování lze z osciloskopických dat vytvořit i vektorový analyzátor s podporou fázového spektra, demodulací apod. Specializované vektorové/spektrální analyzátory jsou ale vybaveny převodníky s vyšším rozlišením, tedy kvalita výsledků je na vyšší úrovni. I tak má osciloskop někdy i v této oblasti navrch díky rychlosti vzorkování a hloubce paměti.