2.2. Osciloskop
Zmiňme se nyní o přístroji, který patří ve výbavě elektronické laboratoře k základním přístrojům. Je to analogový osciloskop. Vývoj osciloskopu prošel několika stadii od čistě elektronkového přístroje, přes kombinaci elektronek a polovodičových prvků až ke dnešním konstrukcím, kde jedinou vakuovou součástkou je obrazovka. Je dnes možné pořídit si doplněk k osobnímu počítači, kterým si můžeme počítač převést na jednoduchý osciloskop (tento přídavek ale nepracuje analogově, ale na principu vzorkování napětí, který si vysvětlíme níže), kterým můžeme studentům gymnasia předvést např. průběh střídavého proudu po usměrnění, akustický signál, fázové vztahy mezi napětími apod. Jedinou limitací je šířka pásma, která u těchto doplňkových zařízení nepřesahuje několik desítek kHz. Výběr vhodného modelu ponechám na vaší volbě, zde si vysvětlíme jen principiálně, co analogový osciloskop obsahuje a jak se může použít k měření.
obr. 2.6
Blokové schéma osciloskopu vidíme na obrázku 2.6. Základní součástkou je obrazovka s elektrostatickým vychylováním elektronového paprsku. Elektrostatické vychylování je použito proto, aby bylo vychylování rychlé, současné špičkové analogové osciloskopy v tzv. reálném čase pracují do kmitočtu 1 GHz a vychylování paprsku to ”musí stihnout”. Nevýhodou elektrostatického vychylování oproti magnetickému, použitému např. v televizorech, je nutnost většího napětí na vychylovacích elektrodách a nemožnost tak velkého vychylovacího úhlu (u černobílých televizních obrazovek běžně 110° u barevných běžně 90°). Osciloskopické obrazovky jsou proto mnohem delší (vzhledem k velikosti stínítka) než televizní. Podobně jako televizní obrazovka potřebuje osciloskopická obrazovka žhavení katody, ostřicí elektrody a zdroj vysokého napětí na urychlení elektronového paprsku, aby po dopadu na luminofor, nanesený z vnitřní strany stínítka, vytvořil svítící stopu. Obrazovka osciloskopu má dva vychylovací systémy, pro osu x a pro osu y. Na oba tyto vychylovací systémy se přivádí zesílené napětí ze zesilovače pro osu x a pro osu y. Na vstup zesilovače pro osu x je navíc možné připojit vnitřní generátor lineárně vzrůstajícího napětí ve tvaru zubu pily, které pak může rozmítat elektronový paprsek podél osy x (zleva doprava, při zpětném běhu je elektronový paprsek zatemněn). Zesílení jak vertikálního zesilovače (pro osu y), tak horizontálního zesilovače (pro osu x) je možné měnit a navíc je možné měnit rychlost vzrůstu pilovitého napětí používaného na rozmítání v ose x a tak měnit časové měřítko rozmítání; proto se generátoru pilovitého napětí říká časová základna osciloskopu. Přivádíme-li na vertikální zesilovač řekněme sinusové napětí, musíme start generátoru pilovitého napětí synchronizovat tak, aby tento generátor startoval vždy v definované fázi sinusového signálu přiváděného na osu y; jinak neuvidíme na obrazovce osciloskopu sinusovku, ale mnoho sinusovek přeložených přes sebe, protože každý proběh časové základny zobrazí sinusovku přiloženého napětí s jinou počáteční fází. Výsledkem bez synchronizace časové základny je tedy zelený široký pruh na obrazovce, jehož výška je rovna dvojnásobné amplitudě sinusového signálu (to se někdy hodí, chceme-li např. právě tuto veličinu měřit, ale obvykle to je nežádoucí). Každý generátor časové základny osciloskopu má proto možnost přivedení synchronizačního napětí, tj. napětí, které může urychlit nebo opozdit start generátoru časové základny. Většina generátorů časové základny má rovněž možnost tzv. spouštění, tj. funkce, kdy generátor časové základny čeká na to, až napětí na synchronizačním vstupu dosáhne určité (na předním panelu osciloskopu nastavitelné) úrovně a pak teprve spustí generaci pilovitého napětí. Režim synchronizace se obvykle na panelu osciloskopu označuje jako ”Auto”, režim spouštění jako ”Norm”. Snadno poznáte, ve kterém režimu osciloskop pracuje, když odejmete synchronizační signál; v režimu ”Auto” zůstane na obrazovce stopa paprsku, v režimu ”Norm” stopa zmizí, protože generátor časové základny čeká na spouštěcí signál. Synchronizační signál je možné brát (volí se přepínačem na panelu osciloskopu) buď ze zobrazovaného signálu, to je tzv. vnitřní synchronizace, nebo je možné na zvláštní vstup osciloskopu, označený jako Ext. trigger, přivést vhodné synchronizační napětí. Přepínač mezi těmito dvěma módy má obvykle ještě dvě polohy, jednu pro synchronizaci síťovým kmitočtem (line) a druhou pro přepnutí na provoz x-y, tj. s odpojenou časovou základnou. V tomto režimu je např. možné vyzkoušet si tvorbu Lissajousových obrazců.
Naprostá většina osciloskopů je vybavena ještě přepínačem dvou vertikálních signálů, označených jako kanál A a kanál B nebo obdobně. Přepínání mezi kanály je možné volit buď nezávislé na časové základně (frekvence přepínání mezi kanály je cca 100 kHz), nebo řízené časovou základnou tak, že pro jeden odběh je připnut vstup jednoho kanálu a pro druhý odběh vstup druhého kanálu atd. Rovněž je možné zobrazovat jen jeden z kanálů (A nebo B) anebo oba kanály algebraicky sečíst a to oba buď s kladným znaménkem, nebo jeden z kanálů invertovat a zobrazit tedy rozdíl obou kanálů. Tento režim odečítání je vhodný tehdy, je-li na užitečném signálu např. síťový brum, který můžeme simulovat, přivést na druhý kanál a pak odečíst; mnohdy se tím vylepší poměr signál-brum na zobrazené stopě.
Většina osciloskopů dále mívá tzv. Z vstup, neboli vstup pro jasovou modulaci stopy. Tento vstup většinou bývá ze zadní strany osciloskopu. Přivedením napětí na tento vstup je možné zeslabovat jas paprsku až k úplnému zatemnění stopy. To je vhodné například pro zobrazení různých kalibračních značek na zobrazovaném průběhu, nebo můžeme jasem simulovat amplitudu třetího signálu a zobrazit tak na obrazovce osciloskopu třírozměrný obraz, kde třetí rozměr bude dán jasem paprsku.
Moderní osciloskopy mají řadu dalších vylepšení jako například zobrazení nastavení vertikálního zesílení obou kanálů a rychlosti časové základny na obrazovce osciloskopu, vestavěný multimetr, kterým je možné měřit napětí např. mezi špičkami zobrazovaného průběhu, nebo i mezi manuálně nastavenými značkami. Dále mívají osciloskopy vestavěný čitač, kterým se může měřit kmitočet zobrazovaného průběhu. Displeje jak multimetru tak čitače se zobrazují na obrazovku osciloskopu. Velmi zajímavá možnost některých osciloskopů je tzv. hardcopy obrazovky, kdy přes jedno ze standardních rozhraní, např. sériové nebo paralelní nebo GPIB je možné obrázek na obrazovce vytisknout na tiskárně, nebo uschovat na pevný disk počítače ve standardním obrázkovém formátu, který se pak dá zpracovávat programy umožňujícími zásahy do obrazu (např. Corel Draw).
Z hlediska použití osciloskopu k měření je třeba vědět, že každý osciloskop má volbu stejnosměrného nebo střídavého vstupu. Při volbě stejnosměrného vstupu je možné ze změny polohy stopy na obrazovce měřit stejnosměrná napětí, volbou střídavého vstupu je možné měřit malá střídavá napětí se stejnosměrnou složkou převyšující jejich amplitudu (např. když dobře vyfiltrujeme usměrněné napětí, budeme mít na výstupu filtru napětí se stejnosměrnou složkou řádově volty a se zvlněním řádově milivolty; abychom mohli provést měření zvlnění, je nutné stejnosměrnou složku oddělit, tj. přepnout vstup na střídavý - tím se do série zařadí kondenzátor, který ss složku oddělí). Vstupní odpor vertikálních zesilovačů bývá standardně 1 MΩ s paralelní kapacitou 20-30 pF. Když potřebujeme vyšší vstupní odpor, můžeme použít pasivní nebo aktivní měřicí sondy. Pasivní sonda je v podstatě frekvenčně kompenzovaný dělič napětí 1:10. Jistě byste dovedli spočítat, že sériový odpor děliče musí mít v tomto případě hodnotu 9 MΩ, nikoliv 10 MΩ, to bychom dostali dělič 1:11. Ztratíme tedy na citlivosti (nastavené rozsahy budou mít 10x menší citlivost), avšak získáme na vstupním odporu, který bude 10 MΩ. Aktivní sonda obsahuje napěťový sledovač obvykle s tranzistory řízenými polem, takže dosahuje vysokého vstupního odporu bez snížení citlivosti vstupu; napájení si bere z osciloskopu, takže obvykle se připojuje dvěma konektory.
I když použijeme sondu s děličem 1:10 neznamená to, že k ní můžeme připojit 10x větší napětí než na vstup osciloskopu. Maximální povolené napětí, jaké můžeme připojit na vstup osciloskopu přímo, bez sondy, si přečteme buď v návodu, nebo (u novějších osciloskopů) přímo u vstupního konektoru. Bývá to napětí v řádu několika set voltů. Pasivní vstupní sondu používáme zejména proto, abychom zmenšili kapacitní zatížení zdroje signálu, není tedy nikdy konstruována na napětí jednoho nebo dokonce několika kV! Abychom mohli měřit osciloskopem i takováto vysoká napětí v řádu kV, potřebujeme tzv. vysokonapěťovou vstupní sondu, obvykle s dělicím poměrem 1:100, která je na vyšší napětí konstruovaná, tj. její sériový odpor snese vysoké napětí; bývá rovněž mechanicky bytelněji provedená, aby pracovník i intuitivně vycítil, že pracuje s vyšším napětím, než je v elektronických zařízeních běžné.
Aby bylo možné prověřit, že citlivost vertikálních zesilovačů se nezměnila, bývají osciloskopy vybaveny zdrojem kalibračního obdélníkového napětí o přesné stabilizované amplitudě, např. 0,2 V. Změříme-li tento průběh pomocí osciloskopu, ověříme si, zda vertikální zesilovač má správné zesílení.
Osciloskop je velmi universální měřicí přístroj a velmi často vystačíme jen s ním, tj. nepotřebujeme žádný jiný přístroj. Je proto vhodné se s ním dostatečně seznámit, aby byl naším pomocníkem a ne noční můrou.
Přídavky pro ”proměnu” osobního počítače na osciloskop pracují poněkud jiným způsobem. Protože počítač je schopen zobrazovat graficky na monitoru číslicově zadanou funkci, je nutné nejprve digitalizovat průběh, který chceme na monitoru zobrazovat, a to právě příslušná krabička nebo deska vložená do počítače provádí. Vzorkuje měřené napětí s určitou frekvencí, které je schopna, obvykle je to frekvence okolo 30-100 kHz, a tyto vzorky převádí na čísla, obvyklá přesnost je 8 nebo 12 bitů na jeden vzorek. Tato čísla se pak jako tabulkou zadaná funkce zobrazují na obrazovce monitoru počítače, chytřejší programy mohou i mezi jednotlivými body interpolovat. Zobrazení tedy není v reálném čase, zobrazují se vzorky napětí, ale tvar průběhu je stejný, jako je na vstupu zařízení, takže je možné pozorování tvaru průběhu, měření amplitud a času, fází apod. Vzhledem k tomu, že na škole budete v dnešní době mít spíš osobní počítač než osciloskop, je možné tento doplněk jen doporučit. V současné době je k dostání i kompletní měřicí sestava včetně potřebných senzorů a nápadů k pokusům, zvaná ISES.
