Jak wybrać dobry oscyloskop cyfrowy?

Przy omawianiu oscyloskopów cyfrowych nie można zapominać, że ich podstawowym parametrem jest tak zwana szybkość próbkowania. Dobry oscyloskop powinien umożliwiać obserwację przebiegów o jak największych częstotliwościach, czyli bardzo szybkich. W klasycznym analogowym oscyloskopie z lampą elektronową ograniczeniem jest pasmo przenoszenia tłumików i wzmacniaczy w torze Y oraz sama lampa, która nie jest w stanie zobrazować bardzo szybkich przebiegów.

W oscyloskopach całkowicie cyfrowych sygnał ze wzmacniaczy czy tłumików wejściowych jest od razu podawany na przetwornik analogowo-cyfrowy, a potem zapamiętywany w pamięci. To znaczy, że krótki sygnał, który trwał przykładowo tylko ułamki mikrosekundy, można po zapisaniu w pamięci odtworzyć na ekranie w czasie na przykład kilku milisekund. Oznacza to, że lampa nie musi być już tak szybka. Dlatego producenci poszli dalej rezygnując z lamp na rzecz wyświetlaczy LCD.

Ograniczenia oscyloskopu cyfrowego

W oscyloskopie cyfrowym ograniczeniem są nie tyle trudności z wykonaniem tłumików i wzmacniaczy o odpowiednim paśmie co parametry przetwornika analogowo-cyfrowego oraz właściwości układów wyzwalania. Choć w dzisiejszej dobie też już trudności raczej nie ma. Jednak nie o to mi chodzi.

Chcę zwrócić uwagę na jeden szczegół, właśnie dotyczący szybkości próbkowania. Dotyczy różnych przystawek do komputera pełniących rolę oscyloskopów i innych wynalazków. Problem ilustruje rysunek 1, pokazujący sygnał jednej linii obrazu telewizyjnego (composite video). Oscyloskop analogowy zobrazuje taki przebieg bez większych przeszkód (rys.1a). Natomiast oscyloskop cyfrowy może wprowadzać pewne niejasności (rys.1b). Jeszcze dosadniej pokazuje to rysunek 2.

Próbkowanie i przetwarzanie

W oscyloskopie cyfrowym próbkowanie i przetwarzanie, czyli zmiana wartości napięcia na liczbę następuje tylko w ściśle określonych chwilach zaznaczonych na rysunku 2a strzałkami. Do pamięci są wpisywane wartości napięcia, występujące tylko w tych wybranych momentach (rys.2b). Co się stanie, jeśli w czasie pomiędzy kolejnymi próbkowaniami, w sygnale pojawią się zmiany (zaznaczone na rysunku czerwoną strzałką)? Nic się nie stanie ale zmiany te nie zostaną zauważone przez oscyloskop i nie pojawią się na ekranie (rys.2c).

Zbyt krótkie impulsy

Ktoś powie, że nie ma problemu z takimi krótkimi impulsami? Wystarczy zwiększyć częstotliwość próbkowania, a pojawią się one na ekranie. Jest to częściowo prawda, ale po pierwsze nie zawsze można zwiększyć częstotliwość próbkowania, a ponadto w niektórych sytuacjach, na przykład przy obserwacji przebiegu zmodulowanego amplitudowo, nie ma to sensu. Ze względu na wspomniane trudności, niektóre firmy nie rezygnują z budowy oscyloskopów, które w zależności od potrzeb mogą pracować w trybie analogowym albo cyfrowym.

Pasmo przenoszenia i maksymalna częstotliwość próbkowania

Przy zakupie oscyloskopów analogowo-cyfrowych jak również tylko cyfrowych należy właśnie zwrócić baczną uwagę na kwestie pasma przenoszenia i maksymalnej częstotliwości próbkowania. Wiele oscyloskopów analogowo-cyfrowych, szczególnie tych nieco starszych, ma określone, dość szerokie pasmo przenoszenia w trybie analogowym i znacznie węższe w trybie cyfrowym. Kilka lat wcześniej dość dużym problemem było zbudowanie szybkiego przetwornika A/D. Dziś są już ośmiobitowe przetworniki w postaci pojedynczych układów typu flash o szybkości przetwarzania setek milionów próbek na sekundę.

Jednak do danych podawanych w materiałach reklamowych oscyloskopów trzeba podchodzić bardzo ostrożnie. Przykładowo w ulotce reklamowej jakiegoś niedrogiego oscyloskopu podano, że ma on maksymalną częstotliwość próbkowania równą 1GS/s (1 miliarda próbek na sekundę). Z częstotliwości próbkowania 1GS/s na pierwszy rzut oka mogłoby wynikać, że oscyloskop ma pasmo przenoszenia sięgające setek megaherców. Przy bliższym zapoznaniu się z instrukcją wyjdzie na jaw, że pasmo wynosi powiedzmy 20MHz.

Jaka jest prawdziwa częstotliwość próbkowania przetwornika?

Podano tu częstotliwość próbkowania przebiegów powtarzalnych, uzyskiwana przy pomocy pewnej, powiedzmy prostej sztuczki. W istocie, przy bliższym przestudiowaniu katalogu okaże się, iż rzeczywista częstotliwość próbkowania przetwornika, istotna w przypadku rejestrowania przebiegu jednorazowego wynosi tylko 20MS/s (20 milionów próbek na sekundę).

Słabo zorientowany elektronik, naczytał się w książkach, że można zrekonstruować sygnał, jeśli częstotliwość próbkowania będzie dwa razy większa od najwyższej częstotliwości składowej przebiegu rejestrowanego. W praktyce okaże się jednak, iż w przypadku obrazu na ekranie oscyloskopu, potrzeba przynajmniej dziesięciu próbek ja jeden okres przebiegu rejestrowanego, aby z obrazu można było cokolwiek wywnioskować. W efekcie „genialny? oscyloskop cyfrowy będzie w stanie zarejestrować przebiegi jednorazowe o częstotliwościach nie większych niż 1?2MHZ. Oczywiście w przypadku przebiegów powtarzalnych pasmo będzie sięgać podanej w katalogu wartości 20MHz.

Podany przykład wcale nie ma zniechęcić do oscyloskopów cyfrowych. W ogromnej większości przypadków niedrogi oscyloskop cyfrowy o podanych parametrach (20MHz, 20MS/s) okaże się całkowicie wystarczający.

Porównywarka cen sprzętu RTV