Jak využívat možnosti a potenciál osciloskopu naplno

Osciloskop je nástroj, bez kterého se prakticky žádný elektronický designér neobejde. Pomocí něj se dá nahlížet do útrob obvodů a kontrolovat, jak skutečně fungují. Když se v obvodu objeví nějaké problémy se spojitostí signálu, nejspíš je odhalíte právě na displeji osciloskopu. Pokud ale chcete při měřeních dosahovat správných výsledků, je nutné, aby do sondy šel co nejkvalitnější signál. Zkreslení způsobená nesprávným výběrem nebo nevhodným připojením sondy mohou snadno technika svést na nesprávnou cestu, takže místo toho, aby se věnoval samotnému designu, hledá chyby, které ve skutečnosti jsou pouhými artefakty.

Sondy, stejně jako přístroje, k nimž jsou připojené, se dají považovat za příklady přesné techniky, která zaručuje maximální věrnost zobrazovaného signálu. Člověk by si mohl pomyslet, že sondy měřící napětí v konkrétním místě signálového vedení nemají na signál žádný vliv, ale ve skutečnosti se při zkoušce stávají součástí obvodu a vytvářejí odporové, kapacitní a indukční zátěže, které mohou ovlivňovat chování obvodu. Když ale budeme postupovat pečlivě a pozorně, tento vliv na signál se dá snížit na úplné minimum.

Pokud chceme dosáhnout nejpřesnějších výsledků, musíme pro zkoušený obvod zvolit sondu s nejvhodnějším zatížením, abychom minimalizovali všechny nevyžádané vlivy a mohli využívat všechny možnosti a funkce osciloskopu naplno.

Která sonda je nejvhodnější? Pasivní, aktivní nebo logická?

Nejprve je důležité zvolit vhodný typ sondy. Sondy pro vysoce výkonné osciloskopy se dají rozdělit na pasivní a aktivní. Dále je dělíme na sondy se speciálním účelem – například k diferenciálním měřením, případně k připojování k logickým sběrnicím či vysokonapěťovým vedením.

Pasivní sonda se hodí k obecnému měření různých typů signálů a napětí. Jak její název napovídá, neobsahuje žádnou aktivní elektroniku a při zkoušení obvodů vytváří určité zatížení. Na druhou stranu se jedná o cenově nejdostupnější řešení, a když se používá společně s proudovou sondou, hodí se ke spoustě různých měření napájení.

Pasivní sondy obvykle mají 10- nebo 100násobný činitel útlumu. Sonda s 10násobným útlumem vytváří při zkouškách obvodů menší zatížení než sonda s útlumem 1násobným. Jakmile má zatížení obvodu větší následky, například pokud se zvyšuje frekvence obvodu se zdroji signálu s vyšší impedancí, může napomáhat volba sondy s vyšším činitelem útlumu vyšší integritě měření. Vyšší činitel útlumu sice zmenšuje zkreslení signálu, ale zároveň i amplitudu signálu na osciloskopu. Sonda s 10násobným útlumem zmenší vstupní amplitudu o 10násobek.

10násobný útlum komplikuje sledování signálů, jejichž napětí je menší než 10 mV špička-špička. V případě mnohých signálů ale sonda s 10násobným útlumem představuje vhodné obecné řešení a sonda s 1násobným útlumem se dá používat k měření pomaleji se měnících signálů s nízkými amplitudami. Některé sondy na svém hrotu nabízejí praktickou funkci přepínání mezi 1- a 10násobným útlumem a mnohé osciloskopy dokážou automaticky rozpoznávat, zdali se používá 1násobný útlum nebo útlum 10násobný. V takovém případě je ale musíme zkontrolovat, jestli nastavení vstupu přístroje odpovídají nastavením vstupu na sondě a zdali je zobrazení Volty/Díl přesné.

Přestože se obecné pasivní sondy často dají používat jako účinná měřidla, k přesnému měření signálů s krátkou dobou náběhu nebo obvodů citlivých na zatížení se již tak moc nehodí. Stabilní nárůst frekvencí signálu a rychlostí hrany signálu vyžaduje rychlejší sondy, které méně zatěžují. Vysokorychlostní aktivní a diferenciální sondy představují ideální řešení pro měření vysokorychlostních a/nebo diferenciálních signálů.

Aktivní a diferenciální sondy obsahují integrované obvody, které propojují zkoušený obvod s kabelem sondy a zachovávají maximální celistvost signálu. Nejnovější generace aktivních sond umožňuje různorodá měření (diferenciální, jednopólová či obecná) bez nutnosti úprav připojení na hrotu.

Logické sondy představují praktický nástroj ke zkoušení digitálních sběrnic, protože obsahují signálové sondy a navíc možnost kompaktního uzemnění.

K měření signálu jsou zapotřebí dvě připojení: jedno na samotném hrotu sondy a druhé jako uzemnění. To znamená, že ke správnému připojení ke zkoušené desce plošných spojů je potřeba více místa. Vyhrazené logické sondy nejsou tolik prostorově náročné, protože používají specializované konektory: každý kanál končí hrotem sondy se zapuštěným uzemněním, který zjednodušuje připojování ke zkoušenému obvodu.

K logické sondě lze připojit řadu signálů, takže pomocí společného uzemnění ušetříte místo. Její jednotná konstrukce obsahuje konektor automobilového typu, kterým lze snáze vytvářet uzemnění podle vašich potřeb. Například při připojování ke čtvercovým kolíkům se na hlavu sondy dá nasadit adaptér pro připojení k headeru. Tyto sondy se vyznačují dobrými elektrickými vlastnostmi a minimálním kapacitním zatížením.

Mezi další druhy sond patří proudové, vysokonapěťové nebo optické sondy, které se používají ke specializovanějším měřením, například na vysokonapěťových AC nebo DC napájecích větvích. Rozhraní sond pokročilejších digitálních osciloskopů dokážou automaticky rozpoznat typ připojené sondy a přístroj odpovídajícím způsobem nastavit, a to včetně napájení. Aktivní sondy jsou vybavené vlastním zesilovačem a bufferovým obvodem, který vyžaduje DC napájení.

K dispozici je také příslušenství pro uzemňovací vodič a hrot sondy, které při měření vysokorychlostních signálů zlepšuje celistvost signálu. Například adaptéry uzemňovacího vodiče umožňují flexibilně nastavovat rozestup mezi hrotem sondy a připojením uzemňovacího vodiče ke zkoušenému obvodu a udržovat velmi krátkou vzdálenost vodiče od hrotu sondy ke zkoušenému obvodu, aby nebyla narušena integrita měření.

Porozumění nástrojům uvnitř osciloskopu

Po připojení sond můžeme pomocí nástrojů v osciloskopu začít měřit parametry, o které se zajímáme. Většina digitálních osciloskopů je vybavená automatickými měřicími nástroji, které zjednodušují a zrychlují běžné zkoušení: Tyto techniky se ale zakládají na základních principech, takže když víte, jak příslušná měření provádět ručně, budete znát i správná nastavení.

Osciloskop je především přístroj na měření napětí, ale na základě naměřeného napětí se dají počítat hodnoty dalších parametrů, jako je proud (pomocí Ohmova zákona) nebo elektrická energie (podle příslušné rovnice). Tyto výpočty se sice dají dělat ručně, ale řada dnešních přístrojů je umí počítat automaticky. Analýza tvaru signálu zase vypovídá o důležitých skutečnostech ohledně chování zkoušeného obvodu. Například pulzy v digitálních obvodech se mohou zdeformovat a způsobit závadu obvodu – proto je nutné zkreslení způsobované sondami minimalizovat.

Dalším užitečným režimem je XY. Tento režim osciloskopu se hodí k analýze fázového posunu mezi dvěma pravidelnými signály, které jsou jinak identické. Při tomto měření se jeden signál standardně přivádí do vertikálního systému, zatímco druhý do horizontálního systému, který by se normálně používal pro časovou základnu. Výsledný časový průběh signálu se nazývá Lissajousův obrazec a jednotlivé tvary vlastností se zobrazí jako vizuálně odlišné obrazce. Digitální paměťové osciloskopy (DSO) často mohou mít potíže se zobrazováním obrazu XY v reálném čase a některé přístroje vytvářejí obraz XY tím, že nahromadí spouštěné datové body v čase a poté vytvoří Lissajousův obrazec. Digitální fosforové osciloskopy (DPO) naopak generují a zobrazují obraz v režimu XY v reálném čase.

Digitální osciloskopy jsou vybavené vysokorychlostními interními procesory, které zvládají mnoho pokročilých matematických výpočtů pro interpretaci měření a omezování dopadu zkreslení. Když například vložíte blok digitálního filtru, můžete jím odstranit efekty způsobené upevněním zkoušeného obvodu. Blok zpracování bude v mnohých případech dostatečně flexibilní k tomu, aby se dal používat jako doplňkový filtr – například k simulaci schémat preemfáze a deemfáze, která mají uplatnění ve vysokorychlostních sériových protokolech.

Vzhledem k tomu, že šířky pásma teď dosahují desítek gigahertzů a software, který dokáže automaticky odstraňovat signály, je čím dál sofistikovanější, digitální osciloskopy umožňují rychle řešit různorodé problémy s obvody. Pokud se ale technik nechce nechat svést nechtěnými zkresleními, musí při používání sond a měření postupovat pečlivě.