Robert Kondratjew nr Albumu: 31786
Elektronika i Telekomunikacja 2011/2012 Zaoczne
Tytuł pracy:
Zasada
działania
oscyloskopu
cyfrowego.
Oscyloskop jest to przyrząd elektroniczny(narzędzie pomiarowe) służący do obserwowania,
obrazowania i badania przebiegów zależności pomiędzy dwiema wielkościami elektrycznymi,
bądz
innymi wielkościami fizycznymi reprezentowanymi w postaci elektrycznej. Pozwala on
na zdejmowanie charakterystyk statycznych i dynamicznych przyrządów elektronicznych
oraz na mierzenie ich przesunięcia fazowego, rezystancji dynamicznej oraz innych
parametrów. Może być również wykorzystywany do naprawy, strojenia i kalibracji
wszelkiego rodzaju urządzeń.
Podstawowe cechy oscyloskopów cyfrowych względem analogowych to wielkość(fizyczna),
szersze pasmo, możliwość sygnałów nieokreślonych, pozwalają na pomiary bezpośrednio na
ekranie, prosty interfejs użytkowania oraz możliwość zapisywania i drukowania przebiegów.
Podczas pracy z odświeżaniem przebiegu z pamięci po wyzwoleniu podstawy czasu przebieg
nie jest doprowadzany do wejścia wzmacniacza kanału Y, jak to ma miejsce w zwykłym
oscyloskopie, lecz jest próbkowany i wpisywany do pamięci. Na ekranie jest wyświetlany
przebieg uzyskany po przetworzeniu cyfrowo analogowym zawartości kolejnych komórek
pamięci. Zapamiętany przebieg jest widoczny na ekranie ciągle, nawet w przypadku braku
sygnału wyzwalającego. Każdy sygnał wyzwalający powoduje zmianę zawartości pamięci jak
i obrazu. Istnieje kilka odmian tego trybu:
�� Praca z obrazem  biegnącym ; w sytuacji, gdy podstawa czasu nie jest
zsynchronizowana z przebiegiem badanym. Przebieg ten jest ciągle próbkowany i
wpisywany do pamięci i jednocześnie odtwarzany z pamięci na ekranie. Zawartość
pamięci i jej obraz na ekranie są przesuwane, ponieważ kolejne nadchodzące próbki
przebiegu pojawiają się jako ostatnie.
�� Praca z obwiednią; w tym przypadku są zapamiętywane jedynie wartości maksymalne
i minimalne przebiegu, uzyskane w poszczególnych okresach próbkowania.
Umożliwia to na przykład wychwycenie w przebiegu bardzo krótkotrwałych,
pojedynczych impulsów o dużej amplitudzie.
�� Praca z  odchyłką ; przed zapamiętaniem wartości próbek przebiegu są one
porównywalne z wartościami próbek przebiegu odniesienia zapamiętanego
poprzednio. Zapamiętanie i wyświetlanie następuje tylko w przypadku, gdy wartości
są różne.
Praca z uśrednianiem polega na zapamiętywaniu przebiegu wypadkowego, który jest średnią
arytmetyczną pewnej ustalonej liczby odcinków przebiegu badanego. Umożliwia to między
innymi minimalizację wpływu szumów. Uzyskuje się lepszą rozdzielczość pomiarów i
poprawę stosunku sygnału do szumu.
Oscyloskop cyfrowy pozwala na pracę różnymi sposobami próbkowania:
�� Równomierne; w czasie każdego okresu przebiegu jest pobierana maksymalna liczba
próbek w równych odstępach czasu.
�� Selektywne; w czasie każdego okresu przebiegu jest pobierana tylko jedna próbka,
lecz poszczególne próbki są przesunięte w czasie w odniesieniu do początku okresu o
stałą wartość. Więc kolejne próbki odwzorowują kolejne wartości chwilowe przebiegu
w czasie jego okresu. Ten rodzaj próbkowania jest stosowany w przypadku badania
przebiegów o dużej częstotliwości w stosunku do szybkości działania przetwornika
A/C i pamięci (układ próbkujący musi jednak być wystarczająco szybki).
�� Pseudo-przypadkowe; tu częstotliwość próbkowania nie jest skorelowana z sygnałem
badanym. Próbki są pobierane w przypadkowych punktach tego przebiegu. Umożliwia
to pozorne zwiększenie zakresu częstotliwości oscyloskopu.
�� Z zmienną częstotliwością; zależną od szybkości zmian badanego przebiegu.
Parametr pasmo może być definiowany jako maksymalna częstotliwość sygnału, który może
przejść przez wzmacniacz kanału wejściowego. Czyli szerokość pasma oscyloskopu nie może
być mniejsza od częstotliwości, którą chcemy mierzyć. Jednak nie jest to główny parametr,
jeżeli chcemy badać za pomocą oscyloskopu cyfrowego przebiegi wysokiej częstotliwości.
Celem projektantów oscyloskopów jest osiągnięcie konkretnego typu odpowiedzi. Ta
odpowiedz
to MFED, czyli Maximally Flat Envelope Delay. Jest to doskonała wierność
odwzorowania impulsu z minimalną wartością zniekształceń. Ze względu na budowę
oscyloskopów cyfrowych, które składają się z tłumików, przetworników analogowo
cyfrowych, wzmacniaczy, przekaz
ników itp. nie jesteśmy w stanie osiągnąć MFED w 100%.
Ważne jest by pamiętać, iż sygnał wejściowy, który nie jest czystą sinusoidą będzie zawierał
harmoniczne o wyższych częstotliwościach. Dlatego należy zwrócić uwagę na dobór
oscyloskopów cyfrowych o znacznie szerszych pasmach częstotliwości wobec częstotliwości,
które mamy zamiar mierzyć.
Częstotliwość próbkowania i wielkość bufora jest tak samo ważna w oscyloskopie cyfrowym
w przeciwieństwie do oscyloskopów analogowych. Częstotliwość próbkowania jest podawana
w megapróbkach na sekundę (MS/s) lub gigapróbkach na sekundę (GS/s). Pomiary są
wykonywane zgodnie z zasadą Nyquista, która mówi iż częstotliwość próbkowania powinna
być co najmniej dwukrotnie większa od wartości mierzonej. Dla w miarę dokładnego
odtworzenia przebiegu potrzebne jest wykonanie przynajmniej pięciu próbek na okres.
W zależności od charakteru mierzonego sygnału oscyloskopy wykorzystują dwa różne tryby
częstotliwości próbkowania:
�� Próbkowanie w czasie rzeczywistym; dotyczy to pomiarów nieokresowych (single
shot).
�� Równoważny czas próbkowania (ETS - Equivalent-Time Sampling); dotyczy
pomiarów sygnałów okresowych. Tryb ten poprawnie funkcjonuje tylko, gdy
mierzony sygnał jest stabilny i okresowy. Ponieważ w tym trybie przebieg
rekonstruowany jest poprzez sukcesywną akwizycję.
Wielkość bufora pamięci jest prawdopodobnie najmniej rozumianym parametrem w
oscyloskopach cyfrowych. Oscyloskop przechowuje przechwycone próbki w buforze
pamięci, w związku z czym w danej częstotliwości próbkowania określa jak długo może
przechwytywać sygnał zanim pamięć się przepełni. Ważna jest relacja między częstotliwością
próbkowania i rozmiarem bufora pamięci:
�� Oscyloskop z dużą częstotliwością próbkowania i małym buforem będzie mógł
używać maksymalnej częstotliwości próbkowania tylko w kilku największych
zakresach podstawy czasu.
W elektronice cyfrowej zmiana w sygnale na poziomie 1% nie stanowi większego problemu,
lecz w elektronice audio, zniekształcenie rzędu 0.1% jest już sporym problemem. Większość
nowoczesnych oscyloskopów cyfrowych jest zoptymalizowana do użytku z szybkimi
sygnałami cyfrowymi i oferują 8 bitową rozdzielczość w związku z czym może wykryć 0.4%
zmianę sygnału. Przy 8 bitach zakres napięć jest dzielony na 256 kroków(28=256). W
zakresie ustawionym na ą1V jeden krok odpowiada 8mV. Jest to wartość odpowiednia dla
wyświetlania sygnałów cyfrowych, ale pozostawia wiele do życzenia przy wyświetlaniu
sygnałów analogowych, szczególnie przy korzystaniu z funkcji analizatora widma. Do
pomiarów sygnałów audio, szumów, wibracji czy obserwacji zmian temperatury, prądu,
ciśnienia należałoby użyć oscyloskopu z przetwornikiem 12 czy 16 bitowym. Oscyloskop 8
bitowy mierzy DC z dokładnością z przedziału 3-5%, natomiast 12sto i więcej określane są
jako precyzyjne i mierzą z dokładnością do 1% lub lepiej. W przypadku braku dostępności do
oscyloskopu precyzyjnego można użyć multimera.
Funkcja wyzwalania synchronizuje poziome przemiatanie z konkretnym punktem
przechwyconego sygnału, dzięki temu otrzymujemy czyste odwzorowanie sygnału.
Wyzwalacz stabilizuje przebiegi okresowe na ekranie i przechwytuje przebiegi nieokresowe.
W oscyloskopach cyfrowych podstawowym zestawem funkcji wyzwalania jest:
�� y
ródło,
�� Poziom,
�� Zbocze,
�� Pre trigger,
�� Post trigger.
Różnią się jedynie w bardziej zaawansowanych opcjach wyzwalania. W przypadku badania
przebiegów cyfrowych stosuje się wyzwalanie impulsowe oraz w przypadku śledzenia
sporadycznych błędów automatyczny zapis w pamięci na dysku twardego.
Większość dodatkowych funkcji wyzwalania jest dostępnych w formie aplikacji. Za
odpowiednią dopłatą dla producenta są nam udostępniane.
Typowy oscyloskop pozwala na pełen zakres napięć wejściowych w przedziale ą50mV -
ą50V. Przed dokonaniem pomiarów powinniśmy sprawdzić zakres naszego urządzenia.
Ponieważ mierząc małe sygnały o amplitudzie mniejszej od 50mV dokładniejsze pomiary
uzyskamy oscyloskopem o rozdzielczości 12sto lub 16sto bitowej. W rozdzielczości 16sto
bitowej mamy 256 razy większą rozdzielczość niż w oscyloskopie 8mio bitowym. Pozwala
nam to na  powiększenie przechwyconego sygnału nawet do poziomu mili czy mikro
woltów.
Większość sond umożliwia przełączanie tłumienia w zakresie 1:1 - 10:1. Gdy chcemy
zmierzyć wyższe napięcie możemy stosować sondy z tłumikiem 10:1 oraz 100:1. Stosowanie
sond o wyższym paśmie minimalizuje obciążenia w obwodzie badanego urządzenia i
zwiększa ochronę przed przeciążeniami przy przypadkowym podłączeniu do zbyt wysokiego
napięcia.
Dla bardzo szybkich sygnałów pasywne sondy sprawiają problemy powodowane przez
pojemności przewodów sondy. Ten problem może zostać rozwiązany przez zastosowanie
aktywnych sond FET, które zawierają bufor w  czubku sondy. W przypadku pomiarów
sygnałów wysokiego napięcia rzędu ą100V napięcia głównego czy napięcia miedzy
fazowego, bezpieczną opcją jest zastosowanie izolowanej sondy różnicowej.
Podsumowując:
Oscyloskop cyfrowy zapamiętuje przebiegi w pamięci półprzewodnikowej w postaci
cyfrowej. Sygnał analogowy na wejściu jest próbkowany w ściśle określonych chwilach,
następnie kolejne próbki są przetwarzane przez szybki przetwornik analogowy-cyfrowy i
przesyłane do pamięci. W celu odtworzenia na ekranie zapamiętanego przebiegu, sygnał z
postaci cyfrowej musi zostać przetworzony na postać analogową. Wynikiem takiego
przetworzenia są dyskretne poziomy napięciowe, a na ekranie otrzymuje się wtedy obraz
punktowy, niewygodny na obserwatora. Dlatego sygnały z wyjścia przetwornika cyfrowo-
analogowego poddaje się interpolacji. Układ interpolacji powoduje łączenie na ekranie każdej
kolejnej próbki jasnym odcinkiem linii.
BIBLIOGRAFIA
1. Wikipedia, wolna encyklopedia, Oscyloskop,

2. Jak wybrać oscyloskop?,

3. Zasada działania oscyloskopu cyfrowego.

4. Instrukcja obsługi. Oscyloskop Cyfrowy, Seria TDS1000B, Seria TDS2000B.
5. J. Rydzewski, Oscyloskop cyfrowy.