Daugeliui technikų nelengva išsirinkti naują oscilografą - tenka rinktis iš šimtų įvairių modelių, besiskiriančių savo kaina ir specifikacijomis. Alanas Tongas, kompanijos Pico Technology technikos direktorius, savaitraštyje "Elektronik i Norden" pataria, kaip susigaudyti šiame labirinte ir nepadaryti klaidų.

   Besirenkančiam naują oscilografą pirmiausia patariama nežiūrėti į reklamas arba specifikacijas, o vietoj to pašvęsti kažkiek laiko pagalvoti apie tai, kam ir kur tas oscilografas bus naudojamas (žr. "Pagrindiniai klausimai"). Kai surandami atsakymai į šiuos klausimus, tiktai tada galima pradėti svarstyti, koks oscilografas geriausiai tiktų tavajam pritaikymui.

   Šiame straipsnyje daugiausia kalbama apie skaitmeninius oscilografus su atmintimi, nes jie šiandien sudaro didžiausią parduodamų oscilografų dalį, bet pradžioje verta nors trumpai užsiminti ir apie analoginius oscilografus.

Svarbiausieji klausimai 1.   Kur bus naudojamas oscilografas (darbo vietoje, kliento patalpose, automobilyje)? 2.   Kiek signalų bus matuojama vienu metu? 3.   Kokios bus minimalios ir maksimalios matuojamų signalų amplitudės? 4.   Kokio didžiausio dažnio signalai bus matuojami? 5.   Signalai yra kartojamieji ar vienetiniai? 6.   Ar pakaks signalus apibūdinti per duotą laiką, ar bus reikalinga ir jų spektro analizė?

   Daugelis elektronikų yra bent kurį laiką naudoję analoginius oscilografus, todėl jie įsivaizduoja, kaip jie atrodo ir kur naudojami. Tiesą sakant, dauguma šiandien perkančiųjų oscilografus keičia analoginį prietaisą skaitmeniniu prietaisu.

   Nepaisant to, vis dar rasime daug technikų, mėgstančių analoginio oscilografo išvaizdą ir jį supančią aurą (kitaip sakant, šilumą), nors analoginiame oscilografe vargu ar rastume tokių funkcijų, kurios skaitmeniniuose oscilografuose būtų blogesnės.

   Jei iki šiol esi prisirišęs prie analoginio oscilografo, tavo pasirinkimo galimybės yra labai ribotos. Tik keletas gamintojų vis dar siūlo analoginius oscilografus, o daugelis iki šiol parduodamų jų modelių dar labai senos technologijos.

   Gal ir atrodys, kad panaudoto analoginio oscilografo pirkimas yra ekonomiškai teisingas žingsnis, bet tai padarius ir susidūrus su atsarginių dalių paieška bei palyginti aukšta remonto kaina, imi suprasti, kad ekonominiai tokio žingsnio privalumai yra geriau negu abejotini. Yra ir nemažai kitų kriterijų, kurie svarbūs renkantis prietaisą tarp analoginio ir skaitmeninio prietaiso. Skaitmeniniai oscilografai su atmintimi:
· yra maži ir nešiojamieji,
· turi didžiausią dažnių juostos plotį,
· gali fiksuoti akimirksninius vaizdus,
· gali turėti spalvoto vaizdo vaizduoklius,
· leidžia ekrane atlikti matavimus,
· turi paprastą vartotojo interfeisą,
· siūlo duomenų saugojimo bei perrašymo galimybes.

Istorija    Oscilografas yra vienas labiausiai visapusiškų iš kada nors išrastų prietaisų. Jau trečiajame dešimtmetyje jis buvo nepamainomu techniko "stetoskopu", leidusiu matyti grafinius srovės ir įtampos kitimo realiu laiku vaizdus. Bet oscilografo istorija siekia gerokai toliau, net iki 1897 m., iki vokiečių fizikas Karlas Ferdinandas Braunas sukūrė pirmąjį katodinių spindulių vamzdelį (tada vadintą Brauno vamzdeliu). Šis prietaisas, sukurdamas greitai besikeičiančių elektrinių signalų vaizdus, padėjo Guglielmo Marconi kuriant bevielį telegrafą. 1909 m. Karlas Braunas kartu su G. Marconi buvo apdovanotas Nobelio premija fizikos srityje.

   Modernūs skaitmeniniai oscilografai leidžia per kompiuterį prisijungti ir visiškai integruotis į ATE (Automated Test Equipment - automatizuotas matavimo įrenginys) sistemas. Be to, skaitmeniniai atmintiniai oscilografai dažnai naudojami kaip greita įvesties duomenų surinkimo sistema, todėl kiekvienam kanalo įrangos kaina smarkiai mažėja.

Juostos plotis

   Pirmiausia reikia atkreipti dėmesį į dažnių juostos plotį. Jis yra apibrėžiamas kaip didžiausias signalo dažnis, kuris gali praeiti įvesties stiprintuvus. Iš to matyti, kad analoginis oscilografo juostos plotis privalo būti didesnis už didžiausią norimą matuoti dažnį (per realų laiką).

   Vien juostos pločio dar nepakanka, jeigu nori būti tikras, kad skaitmeninis atmintinis oscilografas pagaus aukštadažnį signalą. Oscilografų gamintojai siekia, kad jų konstrukcija garantuotų tam tikro tipo atsaką į dažnius. Tas atsakas vadinamas MFED (Maximally Flat Envelope Delay - maksimaliai plokščios gaubtinės delsa). Šios rūšies dažninis atsakas garantuoja pavienio impulso atkartojimą su mažiausiais išmetimais bei skambesiais. Kadangi skaitmeniniame atmintiniame oscilografe rasime stiprintuvus, daliklius, A/D keitiklius, jungtis ir perjungiklius, MFED atsakas tėra tikslas, prie kurio yra artėjama, nors niekad nebus visiškai įgyvendintas.

   Verta pastebėti, jog daugelis oscilografų gamintojų juostos plotį apibūdina dažniu, ties kuriuo sinusinio signalo amplitudė nuslopsta 71 procentu (ilgas -3 dB). Kitais žodžiais tariant, yra leidžiama rodomajam ekrane signalui nukrypti nuo įvesties signalo 29 proc.

   Verta atsiminti, kad įvesties signalai nėra sinusiniai ir juose yra aukštesniųjų dažnių harmonikų. Todėl 20 MHz dažnio meandro formos signalą stebėdami 20 MHz juostos plotį turinčio oscilografo ekrane matysime nuslopintą ir iškraipytą bangą. Visada reikia pirkti oscilografą, kurio juostos plotis yra penkis kartus didesnis už didžiausią signalo dažnį, kurį pageidaujama išmatuoti. Plačiajuosčiai oscilografai iki šiol yra labai brangūs, todėl šioje vietoje teks ieškoti kompromiso.

   Kai kuriems oscilografams nurodytas juostos plotis galioja nevisiems įtampų diapazonams, todėl visada verta atidžiau pastudijuoti techninius duomenis.

Strobavimo dažnis

   Kai buvo naudojami tik analoginiai oscilografai, gyvenimas buvo daug paprastesnis; reikėjo pasirinkti tik tinkamą prietaiso juostos plotį. Skaitmeninių oscilografų atveju ne mažiau svarbiais tampa atrankos (strobavimo) dažnis bei atminties gelmė. Skaitmeniniuose atmintiniuose oscilografuose atrankos dažnis paprastai yra keli milijonai bandinių per sekundę (MSa/s - megasample per second) arba keli milijardai per sekundę (GSa/s - gigasample per second). Nyqiust'o kriterijų, strobavimo dažnis privalo būti bent du kartus didesnis už didžiausią signalo spektro dažnį. Tai gal ir tinka spektro analizatoriams, bet oscilografo atveju tam, kad korektiškai būtų rekonstruota matuojamojo signalo forma, reikės ne 2, bet bent 5 bandinių.

   Daugelis oscilografų apibūdinami dviem skirtingais atrankos dažniais (lygmenimis), priklausančiais nuo to, kaip yra matuojamas signalas: realiu laiku ar ekvivalenčių laikų strobavimo būdu (ETS - Equivalent Time Sampling), kartais dar vadinamu pakartotiniu strobavimu. Tačiau ETS tinka tiktai tiems signalams, kurie yra stabilūs ir atsikartojantys; šiuo atveju signalo forma nustatoma palaipsniui atrenkant įvairius pasikartojančios bangos taškus.

   Pavyzdžiui, firmos Pico Technologies 12 bitų oscilografas ADC-212/100 realiu laiku atrenka duomenis 100 MSa/s sparta, o atsikartojančių signalų atveju - 5 GSa/s sparta. 1a pav. parodytas 20 MHz dažnio meandro formos signalas, užregistruotas naudojant 50 MSa/s atrankos dažniu - šis signalas yra beveik neatpažįstamas, palyginus jį su jo vaizdu, gautu strobuojant 5 GSa/s sparta (žr.1b pav.). Aišku, šiuo atveju 5 GSa/s pasirinkimas yra labiau vykęs, bet verta prisiminti, kad, kai signalas nuolat kinta, ETS remtis negalima ir tenka pasitikėti vien realaus laiko (akimirksniniais) vaizdais. Šiuo atveju juosta yra gerokai siauresnė.

   Nedidelis perspėjimas: oscilografų gamintojai linkę pabrėžti savo prietaisų tas charakteristikas, kurios atrodo gražiausiai, todėl verta atidžiau pažiūrėti, ar pateikiamosios strobavimo specifikacijos galioja visiems signalams ar tiktai tam tikriems pasikartojantiems signalams. Tuomet gali paaiškėti, kad numatytas pirkti oscilografas yra netinkamas.

   Kai kurių oscilografų strobavimo dažnis priklauso nuo to, kiek yra naudojama kanalų. Paprastai vieno kanalo strobavimo dažnis yra dvigubai didesnis negu vienu metu veikiant dviem kanalams - į tai irgi reikia atkreipti dėmesį susipažįstant su prietaiso specifikacijomis.

Atminties talpa

   Tikriausiai atminties talpa yra prasčiausiai suprantamas skaitmeninių atmintinių oscilografų parametras: labai gaila, bet jis yra vienas iš pačių svarbiausių. Skaitmeniniuose atmintiniuose oscilografuose užfiksuotieji bandiniai saugomi buferinėse atmintinėse, todėl kiekvienam strobavimo dažniui būtent atmintinės talpa pasako, kiek ilgai iki persipildant oscilografui sugebės jis registruoti signalą.

   Strobavimo dažnio ir atmintinės talpos santykis yra labai svarbus; didelio strobavimo dažnio oscilografas, bet mažos atmintinės gali išnaudoti savo dažnines savybes tiktai pačioje aukščiausioje iš turimų laiko bazių. 2a pav. parodyta 200 µs trukmės vaizdo signalo atkarpa, užregistruota naudojant 1 k buferinę atmintį. Tokio dydžio atmintis apriboja strobavimo dažnį 5 MSa/s (1 k/ 200 µs), nors pats oscilografas gali strobuoti 100 MSa/s sparta.

   Iš pirmo žvilgsnio atrodo, kad signalas atvaizduojamas visai pakenčiamai. Bet mažos buferinės atminties keliami ribojimai paaiškėja, kai signalas yra "padidinamas" (žr. 2b pav.) vaizduojant osciliacijas, prasidedančias ties laiptelių pradžia. Visą 4 µs intervalą sudaro vos 25 taškai - gal jų ir pakaktų normaliam atvaizdavimui, tačiau kai intervalas išplečiamas per visą ekraną, apie osciliacijas nieko nebegalima pasakyti.

Pavyzdys iš realaus gyvenimo

   Norėdami geriau suprasti juostos pločio, strobavimo dažnio ir atminties talpos santykį, panagrinėkime vieną realaus gyvenimo pavyzdį. Įsivaizduokime, kad reikia užregistruoti USB duomenų paketą. Duomenų paketo ilgis yra 1 ms, o jame yra 12 Mb/s sparta sekantys impulsai. Tam, kad būtų paprasčiau, užregistruokime 1 ms stačiakampę 12 MHz dažnio bangą:

· Juostos plotis - 12 MHz dažnio signalo matavimui mums prireiks mažiausiai 12 MHz pločio juostos, bet tuo atveju matysime labai iškraipytą signalą, todėl geriausiai tiktų oscilografas bent su 50 MHz pločio dažnių juosta.

· Strobavimo dažnis - siekiant rekonstruoti 12 MHz dažnio signalą mums prireiks maždaug po 6 taškus per kiekvieną periodą, todėl strobavimo dažnis turi būti ne mažesnis negu 60 Msa/s.

· Atmintinės talpa - norint įsiminti 60 GSa/s sparta renkamus duomenis, 1 ms intervale reikalinga atmintinė, kurioje tilptų 60 000 bandinių.

Skyra ir tikslumas

   Skaitmeninėje elektronikoje 1 proc. dydžio signalo pokytis paprastai nesudaro jokių problemų, nors garso elektronikoje 0,1 proc. dydžio iškraipymai ar triukšmas jau gali būti tikra katastrofa. Daugelis modernių skaitmeninių atmintinių oscilografų yra optimizuoti spartiems skaitmeniniams signalams, todėl jų skyra yra vos 8 bitų (8 bitų A/D keitikliai), taigi, geriausiu atveju jie leidžia užregistruoti tik 0,4 proc. dydžio signalo pokyčius.

   8 bitų atveju įtampos intervalas dalinamas į 256 vertikalias pakopas (2⁸=256). Diapazonas ±1 V atitinka 8 mV kiekvienoje pakopoje. Tai galėtų tikti tam tikriems skaitmeniniams signalams (bet ne analoginiams signalams) ypač tuomet, kai nenaudojama spektro analizės funkcija.

   8 bitų oscilografas vargu ar tiks audio triukšmų, vibracijų ar saugos jutiklių (temperatūros, slėgio ir pan.) matavimams, todėl šiuo atveju geriau iškart ieškoti 12 arba 16 bitų oscilografą.

   Paprastai į skaitmeninio atmintinio oscilografo tikslumą kreipiama gana mažai dėmesio. Matuoti galima kelių procentų tikslumu (daugumos 8 bitų oscilografų nuostoviosios srovės tikslumas yra 5 proc.), o tikslesniems matavimams reikia naudoti multimetrą. Jeigu oscilografo tikslumas bus didesnis (1 proc. ar dar daugiau), tada multimetro nebeprireiks.

Sinchronizavimas

   Oscilografo paleidimo sistema sinchronizuoja horizontalųjį skleidimą su tam tikru signalo tašku, o tai yra labai svarbu atkuriant signalo formą. Valdant paleidimo lygį galima stabilizuoti pasikartojantį signalą. Priklausomai nuo to, kokius signalus reikės matuoti, verta palyginti įvairių gamintojų siūlomas alternatyvias paleidimo sistemas. Visų skaitmeninių oscilografų yra panašios pagrindinės paleidimo funkcijos (šaltinis, lygis, pirmyn ir atgal), bet skiriasi, juose esančiomis sudėtingumo funkcijomis, kurios daugiausia priklauso nuo matuojamųjų signalų. Impulsinis paleidimas yra reikalingas skaitmeniniams signalams, o automatinio įrašymo diske ar atmintinėje alternatyva galėtų labai praversti ieškant kintamųjų klaidų signaluose.

   Tam tikrų specifinių pritaikymų atveju (pavyzdžiui, tikrinant diskų komponentus) naudojami įvairūs paleidikliai būna instaliuoti atnaujinant oscilografo programas arba kaip atskiros programos. Bet jeigu jums pasitaikys toks variantas, neverta net pradėti derėtis dėl jo su tiekėju. Paprastai perkant oscilografą jie į komplektaciją neįeina.

Įvesties diapazonai

   Tipiškame oscilografe matavimo diapazoną galima keisti nuo ±50 mV iki ±50 V. Didesnės įtampos matuojamos naudojant įvesties zondu, slopinančiu signalus 10:1 arba 100:1 kartų, todėl svarbu iškart patikrinti ar oscilografas yra tinkamas tiriamam įtampų diapazonui. Jeigu dažniausiai jums tenka matuoti nedidelės amplitudės signalus (mažesnius negu 50 mV), verta pagalvoti apie 12 ar 16 bitų oscilografo pirkimą. 16 bitų oscilografo vertikali skyra yra 256 kartų didesnė nei 8 bitų oscilografo, todėl galima matuoti kelių milivoltų ar mikrovoltų amplitudės signalus.

   Taip pat reikia patikrinti, ar papildomi zondai atitinka oscilografo juostos plotį. Kai kurie gamintojai taupydami negamina mažesnės juostos oscilografams zondų, o prie visų prietaisų prideda zondus, skirtus plačiausios dažnių juostos oscilografui.

   Kai signalo dažnis yra labai didelis (daugiau kaip 200 MHz), pasyvieji zondai sukelia tam tikrų problemų, susijusių su kabelio, jungiančio juos prie oscilografo, parazitine talpa. To galima išvengti įsigijus aktyvųjį FET zondą, kuriame yra įmontuotas buferinis stiprintuvas. Matuojant dideles įtampas (>100 V), tinklo įtampą ar trifazę įtampą, patikimiausia naudotis diferenciniu, izoliuotu oscilografo zondu.

Formfaktorius

   Grubiai paėmus, skaitmeninius atmintinius oscilografus galima suskirstyti į tris kategorijas: tradicinius stalinius, nešiojamuosius ir kompiuterinius prietaisus. Skaitmeniniai staliniai oscilografai paprastai pasižymi geriausiais parametrais, o nuo to priklauso ir jų kaina. Tokios papildomos funkcijos, kaip FFT spektro analizė, kompiuterio interfeisas, kietasis diskas ir spausdintuvas, paprastai matavimo sistemą dar pabrangina.

   Nešiojamieji oscilografai reikalingi judrų darbą dirbantiems technikams, bet vaizdas jų displėjuose prastesnis (ypač šviečiant saulei), o akumuliatorių darbo laikas neilgas. Tam tikru kokybės lygmeniu tokie oscilografai irgi gali būti labai brangūs.

   Vis populiaresni darosi kompiuteriniai oscilografai, nes jie, palyginus su staliniais, leidžia sutaupyti daug pinigų. Tokio taupymo priežastis yra labai paprasta: galima veltui panaudoti turimą masinės gamybos oscilografą su dideliu spalviniu ekranu, sparčiu procesoriumi, diskiniu kaupikliu ir klaviatūra. Didelis privalumas yra ir galimybė lengvai eksportuoti matavimo rezultatus į reikiamą duomenų apdorojimo programą.

   Kompiuteriniai oscilografai yra dviejų rūšių: išoriniai ir vidiniai. Vidinis kompiuterinis oscilografas paprastai yra PCI formato įstatoma korta. Teoriškai tokia alternatyva turėtų būti pati pigiausia, bet taip būna ne visuomet. Didžiausias kortos kompiuteryje trūkumas yra triukšmas - kompiuterio viduje elektrinė aplinka gali būti gana triukšminga, dėl to tam tikros kortos nuo to labai kenčia. Kitas klausimas - tai tokio oscilografo portabilumas: jį visada reikia nešioti kartu su kompiuteriu.

   Išoriniai kompiuteriniai oscilografai atrodo kaip nedidelės dėžutės, kurios jungiasi prie kompiuterio per USB arba lygiagretųjį portą. Šiuo atveju visa analoginė elektronika yra kompiuterio išorėje, todėl triukšmas nebekelia jokių problemų. Be to, tokį oscilografą galima naudoti ir su staliniais, ir su nešiojamaisiais kompiuteriais.

Skaitmeniniai laimi

   Analoginių oscilografų, kaip kadaise dinozaurų, laikas jau praėjo. Kainos ir kokybės faktoriai lems tai, kad jie bus pakeisti skaitmeniniais atmintiniais oscilografais. Telieka tik nutarti, kokį oscilografą verta pirkti. Renkantis oscilografą iš įvairių oscilografų, pagalvokite apie šiuos dalykus:

· Išbandyk jį prieš pirkdamas, ir nebijodamas palyginti kelių skirtingų įvairių gamintojų prietaisų. Jeigu tiekėjas nenorės grąžinti pinigų tuo atveju, kai prietaisas tavęs netenkina, geriau su juo ir neprasidėk.

· Brangesnį oscilografą paprašyk pademonstruoti - ir nurodyk, kad būtų bandomi tokie signalai, kokius tu ruošiesi matuoti, o ne vien tuos, kurių atskleidžiamos tik gerosios oscilografo savybės.

· Perkant oscilografą pasiteirauk, koks yra siūlomas jo įrangos atnaujinimas ir ar tai įeina į kainą. Kompiuterinio oscilografo atveju reikia išsiaiškinti, ar į komplektą įeina programos ir ar už jų atnaujinimą neteks mokėti papildomai. Reikia atkreipti dėmesį į stalinio oscilografo kabelių ir programinės įrangos kainą - dėl jos gali padidėti visa kaina net 50 proc.

· Patikrink garantijos galiojimo laiką. Ar tiekėjas suteiks tau kitą prietaisą, kol bus taisomas tavasis?

· Galiausiai paieškok Internete nepriklausomos informacijos apie įvairius oscilografus. Pradėti galima ir nuo paieškos "oscilloscope review" google.com.

   Esminiai, svarbūs dalykai yra juostos plotis, strobavimo (realiu laiku ir/arba pasikartojimo režimu) sparta ir atmintinės talpa. Dėmesio! Skaitmeninių atmintinių oscilografų strobavimo dažnio padidinti negalima, todėl, jeigu būsite sumokėjęs 70 000 eurų, su tuo oscilografu būsite ilgai.

Daugiau...