Podľa princípu činnosti môžeme osciloskopy rozdeliť na analógové a digitálne.

1. Analógové osciloskopy

Blokové usporiadanie typického analógového osciloskopu je na obr.1.

Obr.1 - Principiálne usporiadanie analógového osciloskopu

Vizualizačným prvkom je obrazovka s elektrostatickým vychyľovaním, kde je poloha stopy elektrónového lúča na tienidle obrazovky závislá na napätí medzi vychyľovacími elektródami. Vertikálne vychyľovacie elektródy určujú polohu stopy vo vertikálnom a horizontálne v horizontálnom smere. Ak je výstupné napätie vertikálneho a horizontálneho zosilňovača nulové, stopa elektrónového lúča je v strede tienidla. Kladné napätie na výstupoch zosilňovačov posúva stopu lúča hore, respektívne doprava na tienidle. Záporné v opačnom smere.

Vychyľovacie elektródy sú pripojené k vertikálnemu, resp. horizontálnemu zosilňovaču. Oba zosilňovače majú k sumačným vstupom pripojené regulovateľné zdroje napätí, pomocou ktorých je možné ovplyvňovať vertikálnu , resp. horizontálnu polohu stopy.
Vstup Y slúži na pripojenie meraného napätia. K vertikálnemu zosilňovaču je pripojený cez oddeľovací kondenzátor, ktorý slúži na odstránenie jednosmernej zložky meraného signálu. Účinok tohto kondenzátora je možné zrušiť skratovaním pomocou spínača AC/DC. Prepínačom referenčnej úrovne je možné meraný signál odpojiť od vstupu vertikálneho zosilňovača a pripojiť k nemu nulové napätie (GND), čo má rovnaký účinok, ako odpojenie meracej sondy od meracieho bodu a jej pripojenie k spoločnému potenciálu (zemniacej svorke), čo umožňuje kalibráciu vertikálnej polohy lúča.

Obr.2 - Zobrazovanie bez synchronizácie pohybu lúča

Delič napätia slúži na nastavenie citlivosti meracieho kanálu. Zosilnenie vertikálneho zosilňovača a deliace pomery deliča sú volené tak, aby sa citlivosť meracieho kanálu dala zvoliť v skokoch 1, 2, 5.

Typický osciloskop ponúka rozsahy 10mV/d, 20mV/d, 50mV/d, 100mV/d, 200mV/d, 500mV/d, 1V/d, 2V/d, 5V/d, pričom rozmer V/d sa číta, ako Volt na dielik. Obrazovka osciloskopu je totiž obvykle vertikálne rozdelená na osem dielikov a citlivosť je udávaná v hodnote zmeny napätia, ktorá spôsobí zmenu polohy lúča o jeden dielik. Z týchto údajov je možné jednoducho vypočítať veľkosť napätia, ktoré spôsobí vertikálnu výchylku lúča po celej obrazovke tak, že citlivosť udávanú v napätí na dielik vynásobíme počtom dielikov na obrazovke. Osciloskop s uvedenými možnosťami nastavenia citlivosti zobrazuje podľa nastavenej citlivosti zmenu napätia meraného signálu o 80mV, 160mV, 400mV, 800mV, 1.6V, 4V, 8V, 16V, 40V zmenou polohy lúča o vertikálny rozmer obrazovky.

Vstup horizontálneho zosilňovača je obvykle pripojený ku generátoru časovej základne. Prepínačom X-Y režimu je ho však možné pripojiť k externému vstupu horizontálneho vychyľovacieho signálu (vstup X). Takto je možné merať vzájomnú súvislosť dvoch signálov. Tento režim však nie je pre osciloskop typický a je málo používaný. Generátor časovej základne generuje taký priebeh napätia, ktorý lineárne rastie definovanou rýchlosťou v závislosti od času. Spôsobí tak pohyb stopy lúča konštantnou rýchlosťou v horizontálnom smere. Rýchlosť pohybu lúča sa udáva časom, ktorý uplynie pokiaľ lúč prejde vzdialenosť jedného dielika v horizontálnom smere. Rýchlosť pohybu lúča sa dá meniť zmenou rýchlosti nárastu napätia na výstupu generátora časovej základne. Obvykle je nastaviteľná s krokom 1:2:5. Typické nastavenia časovej základne sú napríklad: 10ns/d, 20ns/d, 50ns/d, 100ns/d, 200ns/d, 500ns/d, 1us/d,...atd. Pretože v horizontálnom smere je obrazovka rozdelená obvykle na 10 dielikov, na obrazovke je viditeľný desať krát dlhší časový úsek meraného signálu, než ako je nastavenie časovej základne. Na obrázku 2a sú zobrazené časové závislosti meraného signálu, na 2b výstup generátora časovej základne. Na obrázkoch je naznačený aj účinok týchto napätí na polohu stopy lúča na tienidle obrazovky. Na obrázku 2c sú zobrazené stopy lúča zodpovedajúce priebehom napätí na obr. 2a,b.

Na priebehu napätia pilovitého tvaru, ktorý zabezpečuje horizontálny rovnomerný pohyb stopy lúča (obr.2b) je možné rozoznať dva úseky. Prvý, ktorý zabezpečuje pohyb stopy konštantnou rýchlosťou z ľavej na pravú stranu tienidla (priamy beh) a druhý, ktorý vracia lúč opäť na ľavú stranu (spätný beh lúča). Počas spätného behu je elektrónový lúč zablokovaný a nevytvára tak stopu. Na obrázku 2c je spätný beh naznačený čiarkovane.

Ako je z obr.2c patrné, priebehy napätí z obr. 2a a 2b vytvárajú tri rôzne obrazce na tienidle obrazovky napriek tomu, že meraný priebeh nemení svoj tvar. Dôvodom tohto javu je, že merané napätie je asynchrónne s vychyľovaním stopy lúča a preto sa na tienidle obrazovky vykreslí vždy iný úsek periódy meraného signálu. Takýto spôsob vykresľovania priebehu signálu nedáva použiteľné výsledky.
O synchronizáciu periódy meraného napätia a časovej základne sa starajú synchronizačné obvody (obr. 1), ktoré sledujú meraný signál a na základe jeho okamžitého napätia a tendencie jeho zmeny (rast, alebo pokles) dávajú povel k štartu generátora časovej základne. Okamžitú hodnotu napätia, ako i tendenciu jeho zmeny je možné nastaviť.

Na obrázku 3a,b,c je zobrazená situácia, keď sú synchronizačné obvody nastavené tak, aby bola časová základňa synchronizovaná na kladnú zmenu meraného napätia (nábežnú hranu) pri hodnote 0V. Body, ktoré vyhovujú podmienkam synchronizácie sú na priebehu meraného signálu označené (obr.3a). Pretože je beh generátora časovej základne týmito udalosťami synchronizovaný, okrem úsekov, ktoré reprezentujú priamy a spätný beh lúča je možné rozlíšiť aj úseky, kedy generátor čaká na synchronizačnú udalosť (obr.3b). Výsledkom synchronizácie časovej základne meraným signálom je skutočnosť, že stopa lúča sa na tienidle obrazovky pohybuje vždy po rovnakej trajektórii a kreslí rovnaký úsek meraného napätia (obr.3c).

Obr.3 - Synchronizácia pohybu lúča

Generátor časovej základne môže byť synchronizovaný aj externým synchronizačným signálom. Ak má mať takáto synchronizácia význam, musí byť medzi meraným a externým synchronizačným signálom súvislosť.

Analógové osciloskopy sú vhodné na meranie periodicky opakujúcich sa priebehov, pretože k tomu, aby bol meraný signál na tienidle obrazovky pozorovateľný, musí sa neustále vykresľovať (obrazovka má krátky dosvit). Existujú aj analógové osciloskopy so špeciálnymi obrazovkami, ktoré boli na obmedzený čas schopné zobrazovať jednorazovo vykreslené priebehy. Tieto osciloskopy sa označovali ako pamäťové. Teraz sú nahradzované digitálnymi osciloskopmi.

2. Digitálne osciloskopy.

Blokové usporiadanie typického digitálneho osciloskopu je na obr.4.

Obr.4. - Usporiadanie digitálneho osciloskopu

Vstup meraného signálu (vstup Y) je pripojený cez oddeľovací kondenzátor a prepínač referenčnej úrovne (podrobnejšie viď predchádzajúcu kapitolu) na delič napätia s nastaviteľným deliacim pomerom. Výstup deliča je pripojený na vertikálny zosilňovač. Výstupné napätie vertikálneho zosilňovača je digitalizované AD prevodníkom v pravidelných časových intervaloch. Výsledok digitalizácie sa zapisuje do pamäti. Časový interval medzi dvomi digitalizáciami určuje frekvencia taktovacieho generátora, ktorý je pripojený k obvodom riadenia prevodu. Obvody riadenia prevodu generujú ovládacie signály pre prevodník spolu s riadiacimi signálmi a adresou pre pamäť tak, aby sa výsledky prevodu postupne zapisovali do pamäte. Po zozbieraní dát o meranom priebehu napätia, riadiaci počítač digitálneho osciloskopu vyčíta zozbierané dáta a zobrazí ich na zobrazovacom prvku osciloskopu. Počítač sa okrem zobrazovania stará aj o komunikáciu s používateľom prostredníctvom ovládacích prvkov. Na obr. 5 je zobrazený postup digitalizácie meraného priebehu a spôsob jeho interpretácie na obrazovke osciloskopu.

Obr.5. - Spôsob zobrazovania digitálneho osciloskopu

Nastavenie frekvencie taktovacieho generátora spolu s usporiadaním priebehu na obrazovke určujú parametre časovej základne digitálneho osciloskopu. Ak je taktovací generátor nastavený tak, že medzi dvomi vzorkami uplynie čas Ts a priebeh je zobrazený tak, že za jeden dielik časovej základne (horizontálna os zobrazenia) tvorí N bodov, potom zobrazovaná časová základňa má Ts*N [s/d]. Napríklad, ak je vzorkovacia frekvencia 10MHz (Ts =0.1us) a dielik je tvorený 50 bodmi, je nastavená časová základňa Td = 0.1 * 50 = 5 [us/d] . Pretože údaje na základe ktorých sa kreslí tvar meraného signálu sú diskrétne v čase, najjednoduchší spôsob ich zobrazenia je zobrazenie bodu v mieste, ktorý zodpovedá veľkosti nameranej vzorky a jej miesta v postupnosti údajov. Čitateľnosť údajov však zvyšuje ak sa medzi nameranými bodmi vykoná interpolácia (v najjednoduchšom prípade spojením nameraných bodov čiarou – tzv. lineárna). V takomto prípade si však treba uvedomiť, že skutočnosť sa od zobrazených priebehov môže líšiť. Všimnime si vzťah vzoriek D8 a D9 ku vzorkovanému priebehu a tvar priebehu na obrazovke, ktorý vznikne lineárnou interpoláciou nameraných bodov. Chybu, ktorá je dôsledkom skutočnosti, že zobrazený priebeh je vytváraný na základe diskrétnych bodov je možné zmenšiť dvomi cestami.

Jednou z ciest je zvyšovanie frekvencie vzorkovania. Platí, že v prípade, ak fv/2 >> fah, kde fv je vzorkovacia frekvencia a fah je horná medzná frekvencia vertikálneho zosilňovača, bude určovacím faktorom kvality zobrazenia šírka pásma vertikálneho zosilňovača. To je aj dôvod prečo je často u digitálnych osciloskopov nastaviteľná vzhľadom na frekvenčné vlastnosti vertikálneho zosilňovača zdanlivo zbytočne vysoká frekvencia vzorkovania.

Druhou cestou znižovania chyby zobrazenia tvaru nameraného priebehu je voľba zložitejšej metódy interpolácie.

Ak porovnáme analógový a digitálny osciloskop, môžeme v každom prípade menovať výhody i nevýhody.

Výhody analógového osciloskopu

• jednoduchšie ovládanie
• skutočnosť, že meraný priebeh je skreslený iba frekvečnými vlastnosťami meracieho kanálu (ak všetky časti osciloskopu fungujú správne)

Nevýhody analógového osciloskopu

• nemožnosť sledovania dejov, ktoré sa vyskytujú vzhľadom na svoje trvanie málo často (Ak osciloskop nemá pamäťovú obrazovku)
• ďalšie spracovanie nameraných priebehov je obtiažne

Výhody digitálneho osciloskopu

• jeho principiálne pamäťová vlastnosť
• možnosť digitálnej transformácie nameraných priebehov
• možnosť jednoduchej archivácie nameraných priebehov
• možnosť automatizácie merania a jeho vyhodnotenia

Nevýhody digitálneho osciloskopu

• proces digitalizácie môže pri chybnom nastavení osciloskopu skresliť merané výsledky

Vzhľadom na rozšírenie personálnych počítačov sa zvyšuje obľuba takzvaných virtuálnych osciloskopov. Tieto prístroje využívajú centrálnu jednotku personálneho počítača ako riadiaci počítač merania, displej počítača ako zobrazovací prvok a najčastejšie sa ovládajú virtuálnymi ovládacími prvkami vytvoreným na obrazovke monitora. Takéto usporiadanie dovolí stlačiť cenu dobrého digitálneho prístroja pod úroveň bežného analógového osciloskopu.

DOWNLOAD & Odkazy

• Osciloskopy a jejich použití - Kniha věnovaná principům osciloskopů
• Osciloskopy od A do Z - Rozsáhlá publikace jež zodpoví téměž všechny otázky týkající se osciloskopů