Osciloskop patrí k najbežnejším elektronickým meracím prístrojom a každý elektrotechnik, či už so stredoškolským alebo vysokoškolským vzdelaním, sa s ním stretol a ovláda jeho základné funkcie. Poznáte však význam jeho parametrov tak, aby ste si vedeli vybrať správny typ podľa požiadaviek konkrétneho merania? Cieľom tohoto článku je poukázať práve na niektoré vlastnosti osciloskopu, ktoré si možno neuvedomujete.

1. Frekvenčný rozsah

 
    Najčastejšie používaným parametrom osciloskopu, ktorý býva dokonca uvedený aj na jeho prednom paneli, je frekvenčný rozsah jeho vertikálnych kanálov - od vstupného konektora po obrazovku. Čo však tento údaj znamená? Frekvenčné vlastnosti osciloskopu sú modelované sústavou prvého rádu a jeho frekvenčný rozsah predstavuje hraničnú frekvenciu fhr tejto sústavy. To však znamená, že pri tejto frekvencii je vstupný harmonický (sinusový) signál zoslabený takmer o 3 dB, t.j. približne o 30 % !
    Závislosť chyby zobrazenia harmonického signálu od frekvencie je na obr. 1. Ak teda chceme osciloskopom merať hodnoty napätia s chybou menšou než asi 2 % (1 %), frekvenčný rozsah osciloskopu musí byť aspoň 4 krát (7 krát) väčší než je frekvencia meraného signálu. Pre neharmonické signály možno požiadavky na frekvenčný rozsah osciloskopu veľmi hrubo odhadnúť z frekvenčného spektra pozorovaného signálu a závislosti na obr. 1.
  [Obr. 1 Závislosť chyby zobrazenia v % od frekvencie]       Špeciálnym prípadom neharmonického priebehu, s ktorým sa často stretávame, je obdĺžnikové napätie. Sústava prvého rádu (rozumej osciloskop) spôsobuje predĺženie (spomalenie) nábežnej a dobežnej hrany obdĺžnikového priebehu v závislosti od jej hraničnej frekvencie podľa vzťahu
   [t(r) = 0,35 / f(hr)] (µs,MHz) (1)

kde tr je doba nábehu (rise time) ideálneho obdĺžnikového priebehu, ako ju zobrazí osciloskop s hraničnou frekvenciou fhr. To isté platí samozrejme pre dobežnú dobu tf (fall time). Doba trvania hrany reálneho obdĺžnikového priebehu, ktorú vidíme na obrazovke osciloskopu tr,obr, je daná vlastnosťami privedeného signálu tr,sig a vlastnosťami použitého osciloskopu tr,osc podľa vzťahu
 

 [t(r,obr) = sqrt( t(r,osc)^2 + t(r,sig)^2)] (2)

    Podľa požiadaviek na presnosť merania hrán obdĺžnikových priebehov možno pomocou predchádzajúcich vzťahov vypočítať, aký frekvenčný rozsah musí osciloskop mať, alebo z vlastností osciloskopu a priebehu na obrazovke vypočítať „skutočné" doby trvania hrán korigované o vplyv vlastností osciloskopu.
 

2. Vstupné obvody

 
    Prakticky každý osciloskop má možnosť voľby jednosmernej (DC) alebo striedavej (AC) väzby vstupov. Striedavá väzba vstupu však neodstráni len jednosmernú zložku napätia, ale zaradí signálu do cesty hornopriepustný filter s hraničnou frekvenciou okolo 10 Hz. Pri striedavej väzbe vstupu teda osciloskop zobrazuje napätie nízkej frekvencie so zápornou chybou, ktorej veľkosť možno zistiť z grafu na obr. 1 s tým rozdielom, že na vodorovnej osi bude opačný pomer frekvencií (f/fhr).
    Ak teda potrebujeme merať malú striedavú zložku napätia nízkej frekvencie pri veľkej jednosmernej zložke, dôležitým parametrom osciloskopu bude hodnota hraničnej frekvencie pri väzbe AC.
    Iným riešením tohoto problému môže byť pripojenie dvoch vhodných signálov na vstupy osciloskopu a využitie režimu ADD spolu s invertovaním signálu na druhom vstupe. Pozor však treba dať na dynamický rozsah vstupov, aby nedošlo k orezaniu signálu. Ak potrebujeme sledovať dva signály naraz, uvedená metóda vyžaduje použitie štvorkanálového osciloskopu.
    Nepríjemnou vlastnosťou všetkých osciloskopov je existencia jedinej spoločnej signálovej zeme. To komplikuje meranie napätia na plávajúcom potenciáli a znemožňuje meranie dvoch napätí s rôznymi vzťažnými potenciálmi. Riešením je opäť použitie dvoch kanálov v rozdielovom režime, prípadne štvorkanálového osciloskopu, ak chceme sledovať dva priebehy naraz. Dôležité je, aby mali sondy pripojené k osciloskopu v rozdielovom režime presne rovnaké vlastnosti vrátane dĺžky ich káblov. Najvhodnejšie je použiť špeciálne diferenciálne sondy.
    Základnou podmienkou každého merania je, aby sa pripojením meracieho prístroja nezmenili pomery v meranom objekte. V prípade merania elektrického napätia to znamená požiadavku čo najväčšej vstupnej impedancie meracieho prístroja (voltmeter, osciloskop, spektrálny analyzátor a pod.). Vstupná impedancia osciloskopu býva bežne 1 M[ohm] || 25 pF. Pre jednosmerné napätie sa uplatňuje len ohmická zložka impedancie, ale pri striedavom napätí je dôležitá veľkosť komplexnej impedancie. Jej závislosť od frekvencie je na obr. 2.
   [Obr. 2 Závislosť  veľkosti  vstupnej impedancie v ohmoch od frekvencie]       Vidno, že veľkosť impedancie vstupu s frekvenciou veľmi prudko klesá. Situáciu zlepší použitie pasívnej sondy s deliacim pomerom 10:1 alebo 100:1. Ešte menšie ovplyvnenie meraného obvodu možno dosiahnuť použitím aktívnych sond. Preto treba vždy zvážiť, kde sa s osciloskopom pri meraní pripojiť, prípadne, či nepoužiť sondu a akú (pasívnu alebo aktívnu, 10:1 alebo 100:1, a pod.)
    Na meranie strmých impulzov sa používajú nízkoimpedančné tzv. 50-ohmové sondy, ktoré sa pripájajú k rýchlym osciloskopom so vstupným odporom 50 [ohm]. Takáto sonda s deliacim pomerom 20:1 má vstupný odpor len 1 k[ohm], ale v podstatne širšom frekvenčnom rozsahu (do 3,5 GHz, čomu zodpovedá doba nábehu 100 ps). Výber miesta pripojenia sondy k meranému obvodu je preto ešte dôležitejší. Rýchle (nielen) elektronické obvody však bývajú nízkoimpedančné, čo túto úlohu uľahčuje.
 

3. Časová základňa

 
    Parametre časovej základne bývajú zladené s frekvenčným rozsahom osciloskopu. Kritériom na výber osciloskopu môže byť (ne)existencia dvojitej časovej základne, ktorá umožňuje sledovanie priebehov v dvoch časových mierkach naraz. Táto funkcia je výhodná na pozorovanie rýchlych zmien v rámci priebehov s dlhou periódou.
    Stabilný obraz môžu zabezpečiť len perfektne pracujúce obvody synchronizácie. Tie možno najlepšie otestovať pomocou harmonického alebo trojuholníkového signálu s frekvenciou blízkou frekvenčnému rozsahu osciloskopu. Výsledkom by mal byť stabilný a ostrý obraz.
    Pozorované priebehy však bývajú podstatne komplikovanejšie než sínusový alebo trojuholníkový. Na zabezpečenie stabilného obrazu, resp. zobrazenie tej časti zložitého priebehu, ktorá nás zaujíma, slúžia doplnkové funkcie bloku synchronizácie - potlačenie vysokofrekvenčných (HFrej.) alebo nízkofrekvenčných (LFrej.) zložiek signálu a možnosť nastavenia mŕtvej doby medzi nasledujúcimi behmi časovej základne (Holdoff).
    Pri niektorých špeciálnych meraniach sa používa osciloskop v režime X-Y. Ak sa v tomto režime používa ako vstup X jeden zo vstupov Y, oba vstupy majú rovnaké vlastnosti (frekvenčný rozsah, možnosti nastavenia citlivosti, voľbu jednosmernej alebo striedavej väzby). Niektoré osciloskopy majú samostaný vstup X, obyčajne len s možnosťou voľby priameho pripojenia alebo cez pevný delič 10:1. Neumožňujú teda ani jemnejšie nastavenie citlivosti, jej zmenu v širšom rozsahu ani voľbu jednosmernej alebo striedavej väzby. Frekvenčné vlastnosti kanálov X a Y bývajú rôzne, avšak je možné využiť oba vertikálne kanály - samostatne alebo v rozdielovom režime.
 

4. Analógový alebo číslicový?

 
    Číslicový merací prístroj (osciloskop, multimeter, ...) sa často považuje za synonymum pre presnejší, lepší, bezchybnejší. Skutočnosť však nie je taká jednoznačná. Z princípu činnosti číslicového osciloskopu vyplýva, že informácia o sledovanom priebehu je k dispozícii len v diskrétnych okamihoch daných frekvenciou vzorkovania a časom spracovania priebehu medzi jednotlivými behmi časovej základne. Podobne diskretizácia signálu AČ prevodníkom obmedzuje počet zobraziteľných hodnôt signálu na konečný (nie veľký) počet.
    Aj keď sa nám zdá, že osciloskop beží spojite, to, čo vidno na obrazovke, sú len nespojité výseky zo sledovaného priebehu, a to v prípade číslicového osciloskopu väčšinou podstatne redšie než v prípade analógového.
    Číslicový osciloskop má nepochybne mnoho predností, ale vzhľadom na jeho spôsob činnosti sa častejšie môže stať, že na jeho obrazovke vidíme niečo iné ako predpokladáme. Pokroky v technológii umožňujú postupne odstraňovať nevýhody číslicových osciloskopov voči ich analógovým predchodcom. Výrobcovia optimisticky predpokladajú, že v dohľadnej dobe už nebudú mať číslicové osciloskopy žiadne nevýhody. Podrobnejšie sa tejto problematike budeme venovať v samostatnom príspevku.
  Časopis EE, 4, 1998, č. 1, s. 40-41