Oscyloskop w pracowni robotyka [2/3]

Czym jest pasmo przenoszenia?

Żeby nie wchodzić za głęboko w teorię sygnałów, powiem Ci jedynie, że jest to maksymalna częstotliwość, przy której wyświetlany przebieg mniej-więcej odwzorowuje rzeczywisty sygnał, a jego amplituda jest znacznie zmniejszona. Inaczej mówiąc – im wyższa częstotliwość sygnału, tym bardziej oscyloskop będzie go tłumić – aż do momentu, w którym zobaczysz na oscyloskopie płaską kreskę. Pasmo przenoszenia to taka granica, od której to tłumienie gwałtownie rośnie.

Jeśli nie do końca rozumiesz o co chodzi, to wyobraź sobie, że zamiast sygnału elektrycznego, mamy sygnał dźwiękowy. Sygnał wzorcowy to ten, który chcemy usłyszeć. Gdybyśmy „słuchali go” przez oscyloskop, to od pewnej konkretnej częstotliwości, dźwięk zaczął by cichnąć. Czyli – im wyższy dźwięk, tym bardziej cichy by był dla naszego ucha. Pasmo przenoszenia to częstotliwość, przy której nadal jeszcze słyszymy dźwięk wyraźnie, ale od tego momentu zaczyna się to zmieniać dość gwałtownie.

Oscyloskop działa jako filtr dolnoprzepustowy o częstotliwości odcięcia równej właśnie naszemu pasmu.
W praktyce, podczas zakupów, musisz tak naprawdę wiedzieć tylko to: jeśli planujesz mierzyć sygnały o częstotliwości 10 MHz, to kup oscyloskop analogowy o paśmie 30 MHz (3x częstotliwość sygnału) lub oscyloskop cyfrowy o paśmie 50 MHz (5x częstotliwość sygnału). Weź pod uwagę, że cena urządzenia drastycznie wzrasta wraz z rosnącym pasmem, więc szacuj oszczędnie. Lepiej na początku jest mieć oscyloskop o małym paśmie, niż nie mieć go wcale. Z resztą zawsze możesz go później sprzedać przy modernizacji warsztatu.

Co to jest częstotliwość próbkowania?

Pasmo przenoszenia to dopiero początek. Kolejnym istotnym parametrem jest częstotliwość próbkowania i dotyczy oscyloskopów cyfrowych. Parametr ten wynika z zasady działania tego urządzenia – przetworniki analogowo-cyfrowe bardzo szybko mierzą napięcie na sondzie i zapisują je sobie w pamięci. Im większa częstotliwość próbkowania, tym więcej takich pomiarów przetwornik wykona w ciągu sekundy. 1 MSa/s czytamy „jeden megasampel na sekundę”. Słowo sample oznacza po angielsku próbkę, a mega to przedrostek oznaczający milion, czyli 1 MSa/s równa się częstotliwości 1 miliona próbek zebranych przez oscyloskop w ciągu każdej sekundy. Im większa częstotliwość, tym bardziej „ciągły” jest nasz wykres napięcia.

Jakie są korzyści z większej gęstości punktów przebiegu? Spójrz na ten rysunek:

Sygnał zielony to faktyczne napięcie, jakie występuje w punkcie pomiarowym. Zielone punkty to próbki, które oscyloskop zbiera z określoną częstotliwością. Niebieska linia to wykres, który zobaczysz na oscyloskopie. Jak widać – w skrajnym przypadku możesz być przekonany, że mierzysz sygnał o zupełnie innej charakterystyce, niż faktyczna, a zjawisko to nazywa się undersampling. Jest to spora pułapka, bo bardzo trudna do wykrycia, zwłaszcza jeśli nie masz dostępu do lepszego sprzętu, niż Twój własny. Dlatego upewnij się, że wybierzesz oscyloskop o próbkowaniu wystarczającym do badania Twoich przebiegów. Z moich doświadczeń wynika, że niezbędnym minimum jest możliwość użycia 1 GSa/s dla przynajmniej jednego kanału (jeśli używasz dwóch, to zwykle maksymalna częstotliwość próbkowania każdego kanału wynosi połowę maksymalnej częstotliwości). Im więcej, tym lepiej.

Co prezentuje bufor/długość rekordu?

W tym przypadku sprawa jest dość intuicyjna. Jeśli masz odtwarzacz MP3, to dobrze wiesz, że ilość piosenek jakie możesz na niego wgrać jest ograniczona. Podobnie jest z oscyloskopem – możesz w jego pamięci przechować tylko określoną ilość punktów pomiarowych. Weź pod uwagę, że jeśli oscyloskop działa z dużą częstotliwością próbkowania, to znacznie szybciej zapełni swoją pamięć. Odnosząc się do analogii odtwarzacza MP3 – to trochę jak z piosenką zgraną w lepszej jakości – zwykle zajmuje więcej miejsca przy takim samym czasie trwania. Jeśli próbkujesz sygnał z częstotliwością 1 GSa/s, a długość rekordu wynosi 1 milion punktów, to łatwo policzysz, że na ekranie wyświetlisz maksymalnie 0.001 s sygnału. W praktyce wszystko zależy od ustawień – zwłaszcza tzw. podstawy czasu, czyli przedziału, jaki wyświetla się na osi X oscylogramu oraz aktualnie wybranego próbkowania.

Jak mam rozumieć rozdzielczość przetwornika?

Zagadnienie jest dosyć oczywiste, chociaż stosowane jednostki do określania rozdzielczości przetwornika mogą na początku odstraszać. Co znaczy stwierdzenie, że rozdzielczość wynosi 8, 12, 16 bitów?

Weź do ręki zwykłą linijkę. Ile ma centymetrów na skali? Czy podziałkę ma co 1 mm, czy co 0.05 mm?

Ilość centymetrów na skali to Twój zakres pomiarowy – tyle jednorazowo maksymalnie jesteś w stanie zmierzyć. Oscyloskop też ma pewien maksymalny zakres napięć, jakie jest w stanie zmierzyć.
Pomnóż teraz ilość drobnych podziałek przez swój zakres pomiarowy. Jeśli masz 30-cm linijkę z podziałką co 1 mm, to wynik wyniesie 300. Oznacza to, że z cały Twój zakres pomiarowy jest podzielony na 300 równych części, które jesteś w stanie rozróżnić. Przy pomocy takiej linijki nie potrafisz zmierzyć dokładnej wartości np. książki o brzegu długości 21.523 cm, możesz tę wartość przedstawić jako 21.5 lub 21.6 cm.
Podobnie oscyloskop w swoim zakresie pomiarowym ma tylko określoną liczbę poziomów napięć, które jest w stanie rozróżnić. Czym są owe 8, 9, 12, 16… bitów? Chodzi o ilość punktów w zakresie pomiarowym, zapisanych w systemie binarnym.

Jeśli miałeś już do czynienia z systemem binarnym to wiesz, że w 8 bitach jesteś w stanie zapisać 256 wartości całkowitych, czyli każdą całkowitą liczbę od 0 do 255. Załóżmy, że masz woltomierz, który mierzy napięcie o wartości od 0 do 5.1 V. Jeśli na opakowaniu znajdziesz informację, że ma rozdzielczość 8 bitów, to znaczy, że cały zakres pomiarowy musisz podzielić przez 255. Krótko mówiąc – będziesz w stanie zmierzyć napięcie z dokładnością do 5.1/255 = 0.02 V. W przypadku rozdzielczości 12 bitów będzie to już 5.1/4095, czyli około 0,001245 V.

Spójrz proszę na ten rysunek:

Im większą będziesz miał rozdzielczość, tym mniejsze będą „schodki” widoczne na wykresie. Wysoka rozdzielczość pozwoli Ci zauważyć pewne subtelne zmiany w sygnale, wzrośnie precyzja pomiaru, ale także umożliwi ona powiększanie obrazu wykresu w znacznym stopniu, co nieraz Ci się przyda w trakcie analizy.