Osciloskop

Rozbalit box

Obsah boxu

Osciloskop je elektronický měřicí přístroj, který slouží k vizualizaci a analýze časového průběhu elektrického napětí nebo jiných elektrických veličin. Na obrazovce přístroje zobrazuje graf, kde na vodorovné ose (ose X) je obvykle čas a na svislé ose (ose Y) je měřené napětí. Výsledný obraz se nazývá oscilogram. Osciloskop je jedním z nejdůležitějších a nejuniverzálnějších přístrojů v elektrotechnice, elektronice, fyzice a mnoha dalších technických a vědeckých oborech. Umožňuje pozorovat, měřit a analyzovat vlastnosti signálů, jako jsou amplituda, frekvence, perioda, střída, nebo zkoumat jejich tvar a případné anomálie.

Původní analogové osciloskopy využívaly katodovou trubici (CRT) k přímému vykreslování signálu elektronovým paprskem na luminoforové stínítko. Moderní digitální osciloskopy (často označované jako DSO – Digital Storage Oscilloscope) signál nejprve vzorkují pomocí analogově-digitálního převodníku (ADC), uloží jej do paměti a následně jej zobrazí na LCD nebo OLED displeji. Digitální technologie přinesla řadu výhod, včetně možnosti uložení a zpětné analýzy signálu, automatických měření, matematických operací se signály a pokročilých spouštěcích mechanismů.

📜 Historie

Historie osciloskopu je úzce spjata s vývojem katodové trubice (CRT, Cathode Ray Tube).

🏛️ Počátky a Braunova trubice

V roce 1897 německý fyzik Karl Ferdinand Braun vynalezl první katodovou trubici, která se stala základem pro zobrazování v televizorech i osciloskopech. Braunova trubice umožňovala vychylovat proud elektronů pomocí elektromagnetických polí a zobrazit tak jeho stopu na fluorescenčním stínítku. Původně byla určena pro studium rychle se měnících střídavých proudů. První přístroje byly velké, neohrabané a vyžadovaly specializovanou obsluhu.

⚙️ Rozvoj analogových osciloskopů

Skutečný rozvoj komerčně úspěšných a prakticky použitelných osciloskopů nastal ve 30. a 40. letech 20. století. Společnost General Radio představila první osciloskop na komerčním trhu. Klíčovou inovací bylo zavedení synchronizované časové základny, která umožnila stabilní zobrazení periodických signálů.

Po druhé světové válce se stala lídrem na trhu americká společnost Tektronix, založená v roce 1946. Jejich model Tektronix 511, uvedený v roce 1947, zavedl kalibrovanou vertikální osu a spouštěnou časovou základnu, což z osciloskopu udělalo skutečný měřicí přístroj. V následujících desetiletích Tektronix a další společnosti jako Hewlett-Packard (dnes Keysight) neustále vylepšovaly parametry analogových osciloskopů, zejména jejich šířku pásma a citlivost.

💻 Digitální revoluce

V 80. letech 20. století začala digitální revoluce. První digitální paměťové osciloskopy (DSO) se objevily na trhu a přinesly zásadní změnu. Místo přímého vykreslování signálu na CRT obrazovku začaly signál digitalizovat a ukládat do paměti. To umožnilo:

Zobrazení jednorázových nebo neperiodických dějů.
Detailní analýzu uloženého signálu (zoomování, měření kurzory).
Předspouštění (pre-triggering), tedy zobrazení signálu i před okamžikem spuštění.
Ukládání a přenos dat do počítače.

První digitální osciloskopy byly drahé a měly omezené parametry (nízká vzorkovací frekvence, malá paměť), ale s rozvojem integrovaných obvodů a mikroprocesorů se jejich výkon rychle zvyšoval a cena klesala. Dnes digitální osciloskopy zcela dominují trhu a analogové modely se používají jen pro specifické účely nebo ve výuce.

⚙️ Princip funkce

Princip funkce se zásadně liší mezi analogovými a digitálními osciloskopy.

📺 Analogový osciloskop

Srdcem analogového osciloskopu je katodová trubice (CRT).

Vstupní obvody: Měřený signál je nejprve upraven vstupním zesilovačem a děličem. Uživatel nastavuje citlivost (napětí na dílek, V/div).
Vertikální vychylování: Zesílený signál je přiveden na pár vertikálních vychylovacích desek v CRT. Elektrické pole mezi deskami vychyluje elektronový paprsek ve svislém směru úměrně okamžité hodnotě napětí.
Časová základna: Generátor pilovitého napětí (časová základna) vytváří signál, který se lineárně zvyšuje a poté se skokově vrací na nulu. Tento signál je přiveden na horizontální vychylovací desky. Způsobuje, že elektronový paprsek se konstantní rychlostí pohybuje zleva doprava po stínítku. Rychlost tohoto pohybu se nastavuje ovladačem časové základny (čas na dílek, s/div).
Spouštění (Triggering): Aby byl obraz periodického signálu stabilní, musí každý běh časové základny začít ve stejném bodě signálu. O to se starají spouštěcí obvody, které detekují, kdy měřený signál dosáhne nastavené napěťové úrovně (trigger level) při dané strmosti (náběžná/sestupná hrana), a v tomto okamžiku spustí generátor časové základny.
Zobrazení: Kombinací vertikálního pohybu (řízeného měřeným signálem) a horizontálního pohybu (řízeného časovou základnou) vykreslí elektronový paprsek na stínítku graf napětí v závislosti na čase.

💻 Digitální osciloskop (DSO)

Digitální osciloskop pracuje na principu vzorkování a digitálního zpracování signálu.

Vstupní obvody: Podobně jako u analogového, signál je nejprve upraven (zesílen nebo zeslaben).
Vzorkování: Analogově-digitální převodník (ADC) měří v pravidelných intervalech (daných vzorkovací frekvencí) okamžitou hodnotu napětí a převádí ji na binární číslo.
Ukládání do paměti: Posloupnost digitálních vzorků je uložena do rychlé RAM paměti (akviziční paměť).
Zpracování a zobrazení: Mikroprocesor nebo specializovaný obvod (např. FPGA) přečte data z paměti, zpracuje je a vytvoří z nich obraz, který je zobrazen na LCD displeji.
Spouštění: Spouštěcí obvody pracují v digitální doméně. Neustále monitorují proud digitalizovaných dat a hledají okamžik, který odpovídá nastaveným spouštěcím podmínkám. Díky tomu, že data jsou ukládána do paměti kontinuálně, může DSO zobrazit i děje, které se odehrály před spouštěcím okamžikem (pre-trigger).

📊 Typy osciloskopů

Existuje několik základních typů osciloskopů, které se liší technologií a určením.

Analogové osciloskopy: Klasické přístroje s CRT. Vynikají okamžitou odezvou a zobrazením intenzity stopy podle rychlosti změny signálu. Dnes jsou již překonané.
Digitální paměťové osciloskopy (DSO): Nejběžnější typ. Vzorkují signál a ukládají ho do paměti. Umožňují pokročilou analýzu, ukládání dat a zobrazení jednorázových dějů.
Digitální fosforové osciloskopy (DPO): Vylepšená verze DSO, která lépe zobrazuje statistické informace o signálu. Používají speciální architekturu pro rychlé zpracování dat, která umožňuje zobrazit i velmi zřídka se vyskytující události (glitche, runt pulsy) s různou intenzitou, podobně jako analogový osciloskop.
Smíšené signálové osciloskopy (MSO): Kombinují funkce DSO s funkcemi logického analyzátoru. Mají několik analogových kanálů (typicky 2 nebo 4) a větší počet digitálních kanálů (typicky 8 nebo 16). Jsou ideální pro ladění systémů, které kombinují analogové a digitální signály (např. mikrokontroléry s ADC a DAC).
Vzorkovací osciloskopy: Používají se pro analýzu velmi rychlých, periodických signálů (v řádu desítek až stovek GHz). Pracují na principu postupného vzorkování, kdy v každém cyklu signálu odeberou pouze jeden vzorek s mírně posunutým časovým zpožděním.
Ruční (přenosné) osciloskopy: Kompaktní, bateriově napájené přístroje, často kombinované s funkcí multimetru. Jsou určené pro práci v terénu.
PC osciloskopy: Jsou to moduly (často připojené přes USB), které obsahují vstupní obvody a ADC, ale pro zobrazení a ovládání využívají osobní počítač. Nabízejí dobrý poměr cena/výkon.

🎛️ Základní ovládací prvky a parametry

Každý osciloskop má tři základní systémy ovládání: vertikální, horizontální a spouštěcí.

Vertikální systém

Ovládá osu Y (napětí).

Volts/Div (Napětí/Dílek): Nastavuje citlivost vertikálního zesilovače. Určuje, kolik voltů odpovídá jednomu dílku na svislé ose mřížky.
Position (Pozice): Posouvá stopu signálu nahoru a dolů po obrazovce.
Vazba (Coupling):

   *   DC (Stejnosměrná): Propouští všechny složky signálu, stejnosměrnou i střídavou.
   *   AC (Střídavá): Blokuje stejnosměrnou složku signálu pomocí kondenzátoru a propouští pouze střídavou složku. Umožňuje zobrazit malé střídavé signály superponované na velkém stejnosměrném napětí.
   *   GND (Zem): Odpojí vstup a připojí jej na zem (0 V). Slouží k nastavení referenční nulové úrovně.

Horizontální systém

Ovládá osu X (čas).

Time/Div (Čas/Dílek): Nastavuje rychlost časové základny. Určuje, kolik času (sekund, milisekund, mikrosekundy) odpovídá jednomu dílku na vodorovné ose.
Position (Pozice): Posouvá zobrazený úsek signálu doleva a doprava.

Spouštění (Triggering)

Je to nejdůležitější a často nejméně pochopená funkce. Zajišťuje stabilizaci obrazu synchronizací začátku každého "přeběhu" paprsku s určitým bodem v měřeném signálu.

Trigger Level (Spouštěcí úroveň): Nastavuje napěťovou úroveň, kterou musí signál překročit, aby došlo ke spuštění.
Slope (Hrana): Určuje, zda se má spouštění aktivovat při náběžné (stoupající) nebo sestupné (klesající) hraně signálu.
Mode (Režim):

   *   Auto: Pokud není přítomen spouštěcí signál, časová základna běží volně, takže je na obrazovce vždy vidět alespoň stopa.
   *   Normal: Časová základna se spustí pouze tehdy, když nastane platná spouštěcí událost. Pokud signál chybí, obrazovka je prázdná.
   *   Single: Čeká na jednu spouštěcí událost, zaznamená jeden průběh a zastaví se.

Klíčové parametry

Šířka pásma (Bandwidth): Udává se v Hz (MHz, GHz) a definuje frekvenční rozsah, ve kterém osciloskop dokáže měřit signál s dostatečnou přesností. Je to frekvence, na které klesne amplituda měřeného sinusového signálu o 3 dB (na cca 70,7 % původní hodnoty).
Vzorkovací frekvence (Sample Rate): U digitálních osciloskopů udává, kolikrát za sekundu ADC změří (vzorkuje) signál. Podle Nyquistova-Shannonova teorému musí být alespoň dvakrát vyšší než nejvyšší frekvence v signálu.
Délka záznamu (Record Length): Udává, kolik bodů (vzorků) může osciloskop uložit do paměti pro jeden záznam. Větší paměť umožňuje zachytit delší časový úsek při vysoké vzorkovací frekvenci.
Rozlišení (Resolution): Udává počet bitů, které používá ADC. Běžné je 8 bitů (256 úrovní), ale existují i osciloskopy s 10, 12 nebo 16 bity pro vyšší přesnost.

💡 Použití a aplikace

Osciloskopy jsou nepostradatelné v mnoha oblastech:

Návrh a vývoj elektroniky: Ověřování funkce obvodů, měření časování digitálních signálů, analýza napájecích zdrojů.
Opravy a servis: Diagnostika poruch v elektronických zařízeních (televizory, rádia, počítače, průmyslová elektronika).
Automobilový průmysl: Diagnostika senzorů, zapalovacích systémů, sběrnic (např. CAN, LIN).
Telekomunikace: Analýza kvality signálu, měření šumu, jitteru, zobrazení tzv. očních diagramů.
Věda a výzkum: Měření v fyzice, chemii, biologii a medicíně (např. EKG, EEG).
Vzdělávání: Demonstrace základních principů elektřiny a elektroniky na školách a univerzitách.

🤓 Pro laiky: Jak funguje osciloskop?

Představte si, že chcete nakreslit graf toho, jak se v čase mění elektrické napětí v zásuvce. Napětí neustále kmitá nahoru a dolů, a to velmi rychle (v Evropě padesátkrát za sekundu). Kdybyste to chtěli nakreslit ručně, museli byste mít tužku, která by se pohybovala nahoru a dolů podle napětí, a zároveň byste museli velmi rychle a rovnoměrně posouvat papír zleva doprava.

Osciloskop dělá přesně tohle, ale elektronicky a neuvěřitelně rychle:

Svislá osa (Y): Měřené napětí "hýbe" tečkou na obrazovce nahoru (pro kladné napětí) a dolů (pro záporné napětí). Čím je napětí vyšší, tím výše tečka vyjede.
Vodorovná osa (X): Vnitřní obvody osciloskopu posouvají tuto tečku konstantní rychlostí zleva doprava. Tím se vytvoří časová osa.

Když se tyto dva pohyby spojí, tečka na obrazovce vykreslí přesný graf toho, jak se napětí měnilo v čase. Protože se tento proces opakuje velmi rychle, lidské oko vidí souvislou čáru – oscilogram. Moderní digitální osciloskopy si tento "obrázek" uloží do paměti, takže si ho můžete v klidu prohlédnout, přiblížit si detaily nebo změřit přesné hodnoty.

Šablona:Aktualizováno