Oscyloskopy w natarciu?

Oscyloskopy są teraz prawdopodobnie najbardziej przydatnym narzędziem spośród elektronicznych przyrządów pomiarowych i należą do najczęściej stosowanych w praktyce. W rękach sprawnego inżyniera oscyloskop może stać się przyrządem przydatnym do zastosowania niemal do każdego pomiaru – od funkcji typowego cyfrowego multimetru do analizatora widma bądź też miernika parametrów niemożliwych do pomierzenia przez inne przyrządy.

Oscyloskop to przyrząd elektroniczny – służący do obserwowania, obrazowania i badania przebiegów zależności pomiędzy dwiema wielkościami elektrycznymi bądź innymi wielkościami fizycznymi reprezentowanymi w postaci elektrycznej.
Na podstawie liczby użytkowanych oscyloskopów oraz opinii o nich ze strony użytkowników wydaje się wysoce prawdopodobne, że są one najbardziej użytecznymi i najczęściej stosowanymi elektronicznymi przyrządami pomiarowo-kontrolnymi ogólnego zastosowania. Dla wprawnego użytkownika znającego możliwości tych przyrządów istnieje możliwość zastąpienia oscyloskopem cyfrowym każdego innego przyrządu kontrolnego. Wynika to z jego wyjątkowej łatwości w przetwarzaniu danych wejściowych, nieosiągalnej dla żadnego innego przyrządu. Oscyloskop połączony z generatorem podstawy czasu stwarza faktyczną możliwość wykonywania pomiarów dowolnego parametru każdego obwodu elektrycznego w pełnym zakresie częstotliwości funkcjonowania tego obwodu.
Przy takiej wysokiej zdolności adaptacyjnej do realizacji różnorakich pomiarów wynik pomiaru ma taką samą jakość, jaką ma sygnał podany na wejście oscyloskopu. Generalnie jakość sygnału wejściowego zależy od sposobu pobrania sygnału z testowanego urządzenia oraz przekazania go na wejście miernika. Jeśli jednak jest możliwe (a najczęściej tak jest) bezpośrednie połączenie zwykłym przewodem zacisku wejściowego przyrządu z punktem kontrolnym urządzenia testowanego, to pokusa wykonania takiego połączenia kończy się żałośnie. Tego rodzaju pokusa może wystąpić u użytkownika, który nie ma żadnego przygotowania do posługiwania się oscyloskopem, lecz usłyszał lub przeczytał, że „nadaje się on do mierzenia wszystkiego”. Inaczej zachowa się specjalista od pomiarów, użyje on specjalnej sondy. Najczęściej będzie to pasywna sonda oscyloskopu oznaczana symbolem 10X, ponieważ specjaliście wiadomo doskonale, że taki sposób łączenia nie tylko najlepiej zapewnia rzetelność samego pomiaru, ale gwarantuje również bezpieczeństwo przyrządu i zapewnia ochronę zdrowia osoby wykonującej pomiary.
Z tego względu staje się zrozumiałe, dlaczego znajomość działania oscyloskopu używanego jako uniwersalnego przyrządu pomiarowego jest bardzo ważna.
Oscyloskop jest przyrządem przeznaczonym do pomiaru napięcia. Z tego względu jest wyposażony w port wejściowy o wysokiej impedancji (oporności całkowitej)*, w celu zminimalizowania poboru prądu z testowanego obwodu (lub urządzenia) elektrycznego.
Standardową wartością oporności wejścia jest 1 MΩ. Jest to wartość wystarczająco duża, pozwalająca na minimalne obciążanie większości badanych obwodów oraz uniknięcie zjawiska silnego wzmocnienia zakłóceń o charakterze szumów.
Najczęściej używana sonda 10X ma taką właśnie oporność wejściową, chroni ona przed napięciowym przeciążeniem zarówno samej siebie, jak i oscyloskopu. Stosowanie tej wysokiej oporności wejściowej nazywamy zazwyczaj „odprzęganiem”, przez co rozumie się, że oscyloskop i obwód elektryczny testowanego urządzenia są ze sobą w minimalnym stopniu powiązane energetycznie.
Sonda przyłączona do wejścia oscyloskopu zawiera szeregowo usytuowaną oporność czynną (rezystancję). Ponieważ na wejściu samego oscyloskopu także umieszczona jest podobna oporność, powstaje w ten sposób dzielnik napięcia.
Mówiąc obrazowo, tworzy się sytuacja, w której oscyloskop „widzi” zmiany napięcia w obwodzie badanego urządzenia niejako poprzez wąskie „okienko” swojej oporności wejściowej.
Aby w wytworzonym dzielniku napięcia uzyskać stosunek 1:10, oporność umieszczona w sondzie musi być dokładnie 9 razy większa od wejściowej oporności oscyloskopu.
Dla urządzenia poddanego testowi zastosowanie sondy oznacza zredukowanie do 10% obciążenia prądem, jaki w pewnym sensie „wysysa” z niego oscyloskop. Z kolei właśnie wartość prądu obciążającego jest jednym z najważniejszych czynników wpływających na wielkość błędu w wyniku pomiaru. Szczególnie ważnym jest fakt, że efektywna oporność w punkcie pobierania sygnału próbnego jest mało znana i z tego powodu trudne jest oszacowanie wpływu takiego obciążenia na sam pomiar. Natomiast każde zmniejszenie obciążenia (w przypadku oscyloskopu 10-krotne) jest ze wszech miar pożądane.
Sondy typu 10X mają jednak podwójne oddziaływanie: z jednej strony zmniejszają moc sygnału, co jest wadą, lecz o znikomym stopniu wpływania na rezultat pomiaru, z drugiej strony ograniczają przenoszenie napięć, a jest to wielką zaletą.
Zmniejszanie mocy sygnału nie jest szczególnie złe, ponieważ oscyloskopy, a przede wszystkim nowoczesne oscyloskopy cyfrowe, mają silnie rozbudowane i w pełni regulowane wzmacniacze napięcia. Z wyjątkiem najmniejszych poziomów wartości sygnałów skompensowanie zredukowanej mocy sygnału jest proste poprzez podniesienie stopnia wzmocnienia o kolejną 10-krotność.
Bardzo często próbkę obserwuje się przy zastosowaniu dwóch sąsiednich stopni wzmocnienia. Niektóre nowe oscyloskopy mają mechanizmy automatycznego wybierania kolejnego stopnia wzmocnienia, gdy sygnał z sondy rodzaju 10X jest zbyt słaby. Kłopoty mogą wystąpić tylko w przypadku, kiedy wymagany stopień wzmocnienia dla umożliwienia wygody w śledzeniu przebiegu sygnału znajduje się blisko granicy technicznych możliwości oscyloskopu (przy maksymalnym możliwym stopniu wzmocnienia).
10-krotne obniżenie przez sondę napięcia z testowanego urządzenia jest bardzo pozytywnym działaniem, ponieważ rozszerza obszar bezpiecznego funkcjonowania oscyloskopu. Większość oscyloskopów jest w stanie bez uszkodzeń przenieść napięcie kilkuset woltów. Napięcia spotykane podczas pracy badanych urządzeń mogą być wielokrotnie wyższe. Stosowanie innych metod izolowania się od tak wysokich napięć jest o wiele bardziej kosztowne niż zastosowanie sondy 10X. Taka sonda pozwala na testowanie kształtowania sięprzebiegów przy napięciach nawet rzędu kilku kilowoltów. Zważywszy na koszt sondy kształtujący się na poziomie kilkuset złotych, widać wyraźnie sens w ochranianiu przed uszkodzeniem oscyloskopu wartego ponad sto razy więcej.
*) Impedancja – całkowity opór przepływu w obwodzie prądu przemiennego [geometryczna suma rezystancji (R), reaktancji pojemności (XC) oraz reaktancji indukcyjności (XL)]