Oscyloskopy są narzędziami, które wizualizują przebiegi sygnałów elektrycznych, co jest kluczowe w zagadnieniach elektroniki przy projektowaniu obwodów, testowania sprzętu oraz wielu innych zastosowaniach. Można je porównać do oczu elektroników, ponieważ pozwalają na monitorowanie i analizę sygnałów elektrycznych. Wybór właściwego oscyloskopu ma istotne znaczenie dla inżynierów, umożliwiając im skuteczne wykrywanie wad konstrukcyjnych, osiąganie precyzyjnych wyników testów, przyspieszanie procesów rozwoju oraz optymalizację kosztów badań i rozwoju.
1. FORM FACTOR
Ze względy na rodzaj obudowy, możemy podzielić oscyloskopy na:
– Klasyczne stacjonarne
– Przystawki do PC
– Skopometry
Jako że form factor najbardziej wpływa na doświadczenia z użytkowania i możliwości oscyloskopu, powinien być pierwszym punktem do rozważenia podczas zakupu.
Oscyloskopy stacjonarne to najszersza rodziną, w której znajdują się urządzenia klasy średniej wzwyż. Cechują się one dużymi możliwościami, dużymi czytelnymi wyświetlaczami i kompletem funkcji wymaganych do działania. Są pierwszym wyborem elektroników potrzebujących urządzeń na swój stół warsztatowy.
Przystawki do komputerów cechują się małymi rozmiarami a co za tym idzie poręcznością i łatwością w przenoszeniu. W połączeniu z laptopem stanowią bardzo dobre rozwiązanie dla osób potrzebujących kompetentnego sprzętu w różnorodnych miejscach. Należy jednak pamiętać, że bez komputera są one bezużyteczne co potencjalnie podnosi koszt zakupu. Dodatkowo warto zwrócić uwagę na separację galwaniczną przystawki od laptopa żeby mierzyć wyższe napięcia bez martwienia się o możliwy wypadek. Przystawki często wybierane są przez mechaników samochodowych i początkujących elektroników. Dzięki łączności z komputerem pozwalają też na rejestrowanie przebiegów.
Skopometry to najbardziej mobilne urządzenia z tego zestawienia. Łączą w sobie układy oscyloskopu i multimetru potencjalnie zastępując oba. Należy jednak pamiętać o trójkącie specyfikacji, którego wierzchołkami są: Cena, Rozmiar i Funkcjonalność. Tańsze skopometry ze względu na małe rozmiary będzie miała ograniczone możliwości. Są też skopometry, które funkcjonalnością nie odstępują swoim klasycznym odpowiednikom, są jednak odpowiednio droższe.
Podsumowując:
| Rodzaj obudowy: | Cena: | Podsumowanie: |
| Klasyczne stacjonarne | od ~1000zł | Kompletny pakiet, idealny na stół warsztatowy gdzie wymagana jest precyzja. |
| Przystawki do PC | od ~300zł | Świetne rozwiązanie dla początkujących i mechaników przez duże możliwości i łatwą przenośność. |
| Skopometry | od ~600zł | Przenośna opcja zapewniająca co najmniej podstawową funkcję w atrakcyjnym rozmiarze. |
2. PASMO
Pasmo oscyloskopu jest parametrem mówiącym, dla jakiej częstotliwości sygnału, będzie on tłumiony o 3dB, to znaczy jego wartość wyniesie 0,707 wartości początkowej. Poza pasmem przenoszenia oscyloskopu, sygnał jest tłumiony coraz mocniej aż w końcu zanika w szumie przetwornika. Ważne jest zatem, aby wybrać oscyloskop o paśmie wystarczająco szerokim dla badanych przez nas sygnałów. Pasmo przenoszenia jest dodatkowo ograniczone sprzętowym filtrem antyaliasingowym. Należy jednak zdawać sobie sprawę, że większość sygnałów w elektronice nie przekracza granicy 1MHz, a dla wyższych częstotliwości często wystarczy zaobserwować wystąpienie sygnału a nie dokładnie zbadać jego właściwości. Hobbyści i amatorzy nie powinni zatem zbytnio przejmować się gonieniem jak najszerszego pasma, chyba że są pewni że będzie im ono koniecznie potrzebne.
dla każdego z kanałów wejściowych.
Trzeba także pamiętać, że sondy oscyloskopowe również mają swoje pasmo przenoszenia. Dokupując sondy do swojego oscyloskopu należy pamiętać aby ich pasmo było szersze od pasma oscyloskopy aby nie wpływały one na pomiary.
3. CZĘSTOTLIWOŚĆ PRÓBKOWANIA
Pasmo przenoszenia samo z siebie nie daje pełnego obrazu dotyczącego możliwości oscyloskopu. Dużo ważniejsze jest znanie częstotliwości próbkowania, podawanej w samplach (próbkach) na sekundę. Zgodnie z twierdzeniem Shannona, częstotliwość próbkowania powinna być dwa razy wyższa od najwyższej harmonicznej sygnału badanego aby uniknąć aliasingu. Dla sygnału czysto sinusoidalnego jest to po prostu częstotliwość dwa razy wyższa od jego częstotliwości. W rzeczywistości przyjmuje się bliżej 2,5 raza. Problemy pojawiają się przy sygnałach prostokątnych lub innych sygnałach o stromych zboczach. Składają się one z nieskończonej ilości harmonicznych o coraz to niższych amplitudach. Niemożliwym jest zbudowanie przetwornika, który to zmierzy, dlatego idzie się na kompromis: stosuje się przetworniki o częstotliwości próbkowania 10 razy większej od częstotliwości podstawowej badanego sygnału. Należy mieć to na uwadze badając sygnały o nawet niskich częstotliwościach ale bardzo szybkich czasach narastania zbocza.
4. Rozdzielczość przetwornika
Rozdzielczość przetwornika mówi nam, jak dużo dyskretnych wartości może odczytać przetwornik. Dla przetwornika 12 bitowego jest to:
2^12 = 4096 dyskretnych poziomów napięć. Przyjmijmy zakres pomiarowy na poziomie 0-10V. Możemy wyznaczyć, że rozdzielczość napięciowa takiego oscyloskopu wynosi 10V/ 4096 = 0,00244 V = 2,44 mV. Oznacza to, że najmniejszą zmianę w sygnale jaką jesteśmy w stanie zaobserwować wyniesie 2,44mV. Dokładne pomiary są wymagane np. przy pomiarach tętnień na wyjściu przetwornic w układach wymagających stabilnego zasilania. Należy więc dobrać rozdzielczość przetwornika tak, aby umożliwiała nam ona wykonywanie pomiarów na poziomach napięć, na których nam zależy.
5. ILOŚĆ KANAŁÓW
Wymagania dotyczące ilości kanałów zależą od indywidualnych potrzeb użytkownika.
– Jeden kanał w zupełności wystarczy żeby podejrzeć, czy w danym miejscu układu generowany jest wymagany przebieg. Jest to jednak dosyć ograniczająca konfiguracja;
– Dwa kanały pozwolą nam na porównanie dwóch przebiegów, np. na wejściu i wyjściu układu, lub równoczesne badanie przebiegu napięcia i prądu na elemencie. Dwa kanały są często uznawane za minimum przez bardziej wymagających użytkowników;
– Cztery kanały często wykorzystywane są przez profesjonalistów potrzebujący wyświetlania dużej ilości przebiegów, np. w analizie magistral lub obserwowania wielu punktów pomiarowych w tym samym czasie.
Można dojść do wniosku, że im więcej kanałów ma oscyloskop tym lepiej, i jest to zdecydowanie prawda. Należy mieć jednak na uwadze fakt, że większa ilość kanałów to większy koszt. Jest też inna kwestia: w niektórych modelach, kanały są multipleksowane co znaczy, że uruchamiając kolejne kanały dzielimy czas przetwornika na więcej kanałów a co za tym idzie obniżamy jego skuteczną częstotliwość próbkowania.
6. Szybkość przechwytywania przebiegu
Szybkość przechwytywania przebiegu podawana przez producenta w przebiegach na sekundę. Wpływa ona na to, jak szybko możemy zaobserwować zjawiska rzadkie. Zakładając, że w sygnale występuje zniekształcenie raz na 100 000 cykli, np. z periodycznego załączania się przekaźnika w układzie, to oscyloskop z parametrem 100 000 wfm/s wyświetli go co sekundę, natomiast taki z parametrem rzędu 1000 wfm/s już co aż 1,7 minuty.
7. Głębokość pamięci
Głębokość pamięci mówi o tym, ile próbek sygnału może przechowywać oscyloskop. Im więcej próbek, tym dłuższy czas zapisanego sygnału i tym większa możliwa rozdzielczość.
8. Pomiar automatyczny
Pomiar automatyczny to funkcja wielu oscyloskopów, która pozwala na automatyczne dobranie parametrów oscyloskopu aby jak najlepiej wyświetlić badany przebieg oraz wyświetleniu podstawowych parametrów (najczęściej amplitudy i częstotliwości). W 90% przypadków jest to świetne narzędzie usprawniające pracę z oscyloskopem. Należy mieć jednak na uwadze, że bywa zawodne. Szczególnie, gdy badany przebieg jest sumą sygnału modulującego i nośnej, oscyloskop może mieć problem z interpretacją i porwanym ustawieniem podziałki pionowej i poziomej.
9. Funkcje zaawansowane
Zaawansowanymi funkcjami oscyloskopu można nazwać wiele rzeczy: od wykonywania operacji matematycznych na sygnałach, po generowanie diagramów oka. Są to funkcje, które mogą zdecydowanie zawęzić ilość urządzeń branych pod uwagę jeżeli są wymagane.
Funkcje matematyczne pozwalają na dodawanie, odejmowanie, mnożenie, dzielenie sygnałów przez siebie. Mnożenie przebiegu napięcia i prądu może dać informację o mocy wydzielanej na elemencie. Odejmowanie sygnałów badanego od wzorcowego może natomiast znacznie ułatwić znajdowanie różnic między nimi. FFT (Szybka Transformacja Fouriera) jest niezwykle przydatne do analizowania sygnałów zmodulowanych lub mocno zaszumionych. Są to funkcje dosyć powszechne nawet w bardziej budżetowych oscyloskopach, niektóre wymagają jednak co najmniej dwóch kanałów do działania.
Wykresy Bodego to charakterystyki pokazujące odpowiedź układu w zadanym paśmie częstotliwości. Niektóre zaawansowane oscyloskopy mogą skanować amplitudową i fazową odpowiedź częstotliwościową urządzenia i wyświetlać dane w postaci wykresu Bodego.
Dekodowanie magistral szeregowych pozwala na podglądanie i automatyczne tłumaczenie danych przepływających przez magistrale: I2C, SPI, UART, CAN i inne.
Diagramy oka służą do badania integralności sygnałów cyfrowych i są podstawą w sprawdzaniu układów cyfrowych o dużych prędkościach.
10. Łączność
Oscyloskopy mogą łączyć się z komputerami w celu przekazywania odczytanych danych do dalszej analizy. Częstymi sposobami połączeń są USB, LAN, RS232. Dane mogą zostać przekazane do programów udostępnionych przez producenta lub do customowych programów stworzonych w np. LabView.