Osciloskops. Basics

Būšu maksimāli konspektīvs, postā minot tikai būtiskāko! 

 Kas ir osciloskops? Kādu osciloskopu pirkt?

Osciloskops ir iekārta, kas zīmē grafiku:

a. X (horizontālā) ass - laiks;

b. Y (vertikālā) ass - signāla vērtība konkrētajā laika mirklī.

Izklausās vienkārši? Tieši tik vienkārši arī osciloskops strādā! Viss pārējais - papildus ''fīčas'', lai lietotājs ērti un pārskatāmi redzētu tieši to mirkli, tieši to signāla anormālību, kuru vēlas redzēt.

Pirmie (analogie) osciloskopi izmantoja elektronu tube. Hardware vadīja punktiņu (elektronu plūsmu):

a. Horizontal deflection ''bīda'' punktiņu no kreisās puses uz labo; kad tā sasniegta, ātri ''atgriežas'' sākumpunktā un sākas jauns cikls;

b. Vertical deflection ''bīda'' punktiņu uz augšu/leju, atkarībā no signāla vērtības konkrētajā mirklī.

 

Vienkāršākajam osciloskopam ir divas vadības pamatpogas:

a. ar vienu pogu (time/div) maina laika mērvienības. Lēni mainīgam signālam var ''izstiept'' laika intervālu, kas redzams uz ekrāna, strauji mainīgam signālam - laiku var ''saspiest'';

b. ar otru pogu (V/div) maina mērāmā signāla amplitūdu. Palielinot jūtību, iespējams redzēt mazākas amplitūdas signālus, jūtību samazinot - aplūkot ''jaudīgākus'' signālus.

 

Kāpēc es pievēršos vēsturei? Nedaudz pacietības! No pirmajiem analogajiem osciloskopiem strauji pārejam uz pirmajiem ciparu osciloskopiem.

Pirmie ciparu osciloskopi mēģināja atkārtot analogo osciloskopu darbības principu. Iekārtas atmiņas buferis atbilda ekrāna izšķirtspējai - piem., ja ekrāna rezolūcija bija 600X800 punkti, osciloskopa atmiņas ''garums'' bija 800 points. Izklausās loģiski - katram ekrāna punktam (pa horizontāli) pa atmiņas šūnai! Katrā šūnā ierakstīta signāla vērtība - uz ekrāna veidojas pilnvērtīga ''bilde''. Kur slēpjas problēma?

Analogo osciloskopu ātrdarbība (lai cik tas dīvaini neizklausītos) patiesībā bija iespaidīga - sekundes laikā tie tūkstošus, pat desmitus tūkstošu reižu pārzīmēja ''grafiku'' - to Horizontal deflection paspēja pārbīdīt punktiņu turp/šurp no kreisās uz labo pusi iespaidīgā ātrumā! 

Pirmo ciparu osciloskopu hardware iespējas bija ierobežotas - tie attēlu pārzīmēja tikai dažus desmitus reižu sekundē. Arī redzes reakcijas iespējas neesot bezgalīgas - neesot jēgas censties. Bet - vai tā? Kāpēc šis lēnais refreshrate ir problēma? Aplūkojot ātri mainīgus signālus, sekundes tūkstošajās daļās tiek uzzīmēta ''bilde'' un izvadīta uz osciloskopa ekrāna. Lieliski! Taču pēc šī ''varoņdarba'' seko pauze, kuras laikā hardware ''atpūšas'' - veic dažādas servisa operācijas, apkalpo klaviatūru, vai vienkārši nogaida. Līdz nākošajai ekrāna pārzīmēšanas procedūrai paiet ilgs laiks. Galvenā problēma - ja kāds svarīgs notikums notiek šajos ''pauzes'' laikos, osciloskops to neattēlos!

Tātad:

a. analogais osciloskops lielāko laika daļu attēlo signālu (tikai īsu brīdi esot ''offline'' - kamēr Horizontal deflection pārbīda staru no ''beigām'' uz ''sākumu'');

b. vienkāršajos ciparu osciloskopos ''offline'' laiks var būt pat 99.99% no visa laika! 

Piezīme: dārgākajos analogajos osciloskopos bija izveidota analogā ''atmiņa'', lai diagnosts labāk pamanītu ātri mainīgus signālus. Electron tube bija pārklāts ar luminiscentu pārklājumu, kas turpināja spīdēt dažas sekundes pēc tā pirmās izgaismošanas. Pat, ja signāls parādījās uz ļoti īsu mirkli (mili vai pat mikro sekundes), vēl dažas sekundes tas bija izgaismots uz ekrāna. Asprātīgi!

Kāpēc ilgs offline laiks ir milzīga problēma?

Ja pētāmais signāls ir periodis (stabils, regulāri atkārtojas) - pietiek aplūkot tikai nelielu daļiņu no visa signāla. Ja redzam signāla 12.posmiņu, tieši tāds pats būs tā 13.; 53.;455.posmiņš. Diemžēl, šis ir vienkāršākais gadījums. Biežāk signāla defekti ir sporādiski - t.i.: pēkšņi parādās un tikpat negaidīti pazūd! 

Auto diagnostikas jomā sporādiskas problēmas sastāda lielāko daļu no visiem gadījumiem. Sensoru ''gļuki'', vadu īssavienojumi vai slikti savienojumi - visas šīs problēmas mēdz labi noslēpties!

Ātram piemēram: iedomāsimies tipisku ABS sensora problēmu. Kāds no sensoriem reizēm nosūta ne īsti korektu signālu, tādēļ DSC modulis domā, ka kāds no riteņiem izslīd. Kļūdu DSC modulī nav, jo DSC neatpazīst tādu sensora signāla jittering. Vai mēs šādu defektu pamanīsim ar vienkāršu ciparu osciloskopu?

Diez vai! Piemēram, ja bojāts ir 1 no 30 toothwheel zobiem un osciloskops ''tikai'' 99%  no visa laika ir offline, iespēja, ka šis defekts tiks pamanīts, ir 1/3.000. Ja defekts izpaužas tikai katrā 100.tajā riteņa apgriezienā, iespēja, ka defekts tiks pamanīts, samazinās līdz 1/300.000!

Ar šādu lēto ciparu osciloskopu jūs variet stundām vērot signālu, bet defektu tā arī nepamanīsiet!

Jā, osciloskopu ražotāji zina par šo problēmu. Tiklīdz kā hardware iespējas atļāva, labākie osciloskopu ražotāji radikāli mainīja veidu, kā osciloskopi strādā. Kas tika izmainīts?

a. osciloskopos tika ieviesti daudz lielāki atmiņas buferi. piem., 1M points nozīmē, ka osciloskopa atmiņā tiek noglabāts nevis 1, bet 1000(!) ekrānu dati! Tātad - osciloskops darbojas arī kā datu uzkrāšanas ierīce/logeris. Jebkurā mirklī lietotājs var nospiest pogu Stop un apturēt jaunu datu ierakstīšanu, lai aplūkotu iekārtas atmiņā esošo informāciju. Lietotāja rīcībā ir 1000X lielāks datu apjoms kā iepriekš! Šo feature apraksta parametrs ''memory depth; M points'';

b. offline laiks tiek samazināts līdz nullei, t.i.: lielais atmiņas buferis tiek izmantots pēc FIFO principa. Situācija, ka/kad kādi dati ''pazūd'', vairs nav iespējama!

c. programmatūra rūpējas par to, lai (neskatoties uz ierobežotu displeja un redzes reakcijas laiku) jebkuras signāla ''nestandarta'' izmaiņas būtu labi redzamas. Programmatūra speciāli izceļ šīs izmaiņas, pievēršot tām diagnosta uzmanību. Šo spēju netieši apraksta parametrs ''waweforms/sec''. Neskatoties uz fizisku ekrāna pārzīmēšanu dažus desmitus reižu sekundē (un arī redzes inerci, kas sasniedz sekundes desmitdaļas), labākie osciloskopi spēj attēlot pat 100.000+ waveforms/sec!

Lūk, Agilent demo video:

https://www.youtube.com/watch?v=-UwwJwjaies

Testa ideja: (tikai) katru 40.000. reizi signālam ir defekts. Salīdzinot dažādus osciloskopus un to uzstādījumus, viegli var pārliecināties, ka pat jaudīgi osciloskopi mēdz feilot. Agilent kompetitors ir jaudīgs un dārgs osciloskops, pat tas ar uzdevumu īsti galā netiek. Lētāki ''parastie'' ciparu osciloskopi šādu defektu nepamanītu vispār!

Šī posta esence: ja jūs meklējiet osciloskopu, kas spēj vairāk kā identificēt ''ir/nav'' signāls, kritiskie parametri (tiem jābūt):

a. memory depth (>1M points);

b. waveforms/sec (>10.000/sec).

Lētākie ciparu osciloskopi ir raksturīgi ar:

a. memory depth 1..4K points;

b. refresrate: 10..30 waveforms/sec.

Kā redzam, gan atmiņa, gan refreshrate ir kādas 1000(!) reizes sliktāka. Diemžēl, šie osciloskopi ir mazvērtīgi. Interesants apstāklis - piem., cenu kategorijā 200..300 EUR var atrast USB osciloskopus ar 8..16+M points atmiņu, bet lielākā daļa ir ar 1..4K points atmiņu un ļoti lēnu refreshrate. Jūsu pašu izvēle - vai nopirkt bezjēdzīgu rotaļlietu, vai vērtīgu mēaparatūru.

Piemērs. Picoscope lētākās sērijas USB osciloskopi.

 

https://www.picotech.com/oscilloscope/2000/picoscope-2000-overview

Lūk, konfiguratorā izvēloties 25MHz joslu, par 198 EUR mēs iegūstam osciloskopu ar 16K points memory depth;

Izvēloties 50MHz joslu, par 299 EUR iegūstam osciloskopu ar 32M points memory depth.

Atmiņas buferis otrajai konfigurācijai ir 2000(!) reižu lielāks!

Jā, pirmā konfigurācija derēs kādu vienkāršu aplikāciju gadījumiem, bet diagnostikai - otrā konfigurācija ir fundamentāli pareizāka izvēle.