Moderní multifunkční skopmetr – čím může být užitečný – 3. díl

Závěrečná třetí díl článku o práce se skopmetrem je věnován praxi. Předchozí dva díly najdete zaarchivované v rubrice „Vyzkoušeli jsme si“.

Moderní multifunkční skopmetr část 3 – praktické ukázky použití

Nejzákladnější použití, jako elementární měření napětí, proudu a hledání zkratů/vodivosti rovnou přeskočím, to je každému snad zřejmé. Zaměřím se na části s alespoň minimální přidanou hodnotou

Obecné hledání poškozených polovodičů

Při opravě nefunkčních zařízení je jedním z nejdůležitějších hledačů měřič PN přechodu (tester diod). U zdrojů jsou nejčastější příčinou proražené diody, tranzistory nebo vyschlé kondenzátory. A právě všechny polovodiče lze celkem snadno otestovat právě testerem diod – schottky diody mají ukazovat řekněme kolem 150 mV v propustném směru a pokojové teplotě, klasické křemíkové 0,6 V a PN přechod bipolárních tranzistorů asi 700 – 750 mV. MOSFET zase mezi Drain a Source v závěrném směru má v podstatě diodu, kterou bychom měli změřit. Gate by pak neměl propouštět proud proti žádné elektrodě, avšak ke gate často bývá zapojena například zenerova dioda apod. Pak samozřejmě změříme něco jiného. Proražený polovodič se pak projevuje změřeným úbytkem do 10 mV.

To samozřejmě zvládne jakýkoliv multimetr, ale také náš skopmetr!

Kontrola beden eventuálně signálové cesty – poslechem s použitím generátoru

Generátor s výstupním odporem 50 Ohm snese provoz i do nízké impedance, nicméně úroveň je dostatečná na vybuzení pasivních reprosoustav nebo sluchátek poslechem – poměrně rychle lze naklikat i měnit frekvenci (při aktivním generátoru). Jistě, to lze i telefonem, ale zde máme k dispozici přeci jen poněkud vyšší napětí, až 5 V p-p naprázdno s výstupní impedancí 50 Ohm, a to od 0,1 Hz až do 25 MHz.

Zde se sluší připomenout, že Skopmetr sice umožňuje měnit parametr Load pro generátor, ten ale slouží jen pro přepočet výstupní úrovně generátoru (a napětí offsetu) s ohledem na jeho výstupní impedanci.

Stejně tak lze využít generátor i pro kontrolu signálové cesty – přeci jen lze přenést snadno prakticky kamkoliv.

Fajnšmekři mohou využít šířky pásma a třeba se podívat na odolnost (nejen) A/D převodníků proti VF rušení – jelikož jde generátor snadno zastavit, lže nastavit sinus nebo širokopásmovější signál o přiměřené amplitudě na vstup zařízení a kontrolovat hladinu šumu za A/D převodem (indikovanou sílu signálu) při zapnutém a vypnutém generátoru. Stejným způsobem lze ověřit například účinnost opatření proti VF rušení (v rámci šířky pásma generátoru), tedy měření například s filtrem a bez atd.

Ověření vstupní impedance zařízení

Někdy se může stát, že je potřeba zjistit vstupní impedanci například mikrofonního nebo nástrojového vstupu, neboť mikrofon nebo nástrojový snímač se nemusí se vším dobře snášet. Analogové video se sice již nepoužívá, ale stejným způsobem můžeme v podstatě měřit vstupní impedanci i pro AES/3, S/PDIF apod. Generátor je použitelný až do 25 MHz (sinus), nicméně kvůli přesnosti bych se omezil jen do 10 MHz a na těchto frekvencích měřil jen nízkoimpedanční zdroje – rozlišení impedance 50/75/120 ohm – a vždy se sondou alespoň 1:10. Vstupní impedance sondy by měla být cca 700 – 1400 Ohm, takže určení impedance s chybou do 10 % by mělo být možné. U nízkoimpedančních zdrojů a vysokých frekvencí již postačí pouze výstupní odpor generátoru.

Podle předpokládaného rozsahu hodnot vstupní impedance měřeného zařízení na testované frekvenci se musíme rozhodnout, zda použijeme sondu nebo bude stačit jmenovitá vstupní impedance osciloskopu. Poté musíme ještě rozhodnout, zda bude pro měření stačit hodnota výstupní impedance generátoru nebo jeden kanál připojíme přímo za generátor a druhý kanál až za přidaný rezistor – u nástrojového vstupu s předpokladem 100 kOhm až 1 MOhm bude nejlepší použít sondy 10:1 a rezistor řekněme 270 kOhm nebo 470 kOhm. Určitě použijeme sinus na relativně nízké frekvenci – například 100 Hz (kvůli menšímu vlivu kapacit) – na 100 Hz představuje 100 pF impedanci necelých 16 MOhm. Pro přívod signálu tedy budou lepší dva samostatné kabely, místo například stíněného.

Jeden kanál pak změří úroveň z generátoru, druhý za odporem známé hodnoty. Alternativně lze změřit úrovně voltmetrem při zapnutém generátoru před a za odporem (ale jen pro frekvence do 1 kHz), eventuálně na odporu a na zátěži. Poměr napětí pak bude odpovídat poměru vstupní impedance k hodnotě známého rezistoru (případě měření voltmetrem).

Kontrola průběhu napětí centrály

POZOR: U těchto měření od osciloskopu vždy odpojte všechny ostatní kabely (kromě měřící sondy), jinak může dojít k úrazu nebo poškození přístroje!

Elektrocentrály/měniče mají rozličné průběhy napětí, zejména ve spojení s proměnlivou zátěží. Se skopmetrem není nic jednoduššího, než si připojit osciloskop (se sondou nejméně 1:10, vřele doporučuji pouze 1:100) a podívat se, co opravdu leze za napětí, a zda se náhodou nevyskytují nějaké špičky.

Po zobrazení napětí můžeme třeba přepnout spouštění do režimu Normal a posunout úroveň trochu nad běžnou amplitudu. Ke spouštění tak dojde jen v případě, že se vyskytne nějaká špička napětí. Ideální by bylo měřit na usměrněném napětí (bez vyhlazení kondenzátorem), abychom mohly eventuálně zachytávat špičky v obou polaritách.

Vzhledem k velikosti napětí ovšem před měřením 2x ověřte dovolené napětí pro sondu, maximální vstupní napětí osciloskopu a nastavení sondy. Jinak snadno můžete poškodit přístroj nebo přijít k úrazu.

Obrázek 8: Sice jen napětí ze sítě, ale pro ilustraci…

Některé osciloskopy končili s citlivostí 5V na dílek, takže se sondou 1:10 dokázaly na obrazovce vykreslit maximálně 200 V. Sonda 1:100 tak byla lepší volbou pro měření takto vysokých napětí (a díky nízké vstupní kapacitě se ale hodí i jinde). Nicméně Owon HDS272S snese až 400 V okamžité vstupní napětí na BNC (však je taky kategorie 2 a BNC mí izolovaný vnější plášť) a zobrazí až 10 V/dílek, takže s dodávanou sondou není problém měřit i síťová napětí….tedy pokud nedojde k přepnutí dělícího poměru na sondě do polohy 1:1. Pak by sonda už nevydržela (osciloskop by teoreticky mohl přežít). Proto mám raději jistotu a u vyšších napětí zůstávám u sond 1:100.

Kontrola výkonu zesilovače v limitaci

Abychom byly k zesilovači a k zátěži trochu přívětiví, zvolíme narůstající sinus – tak se dostaneme k měření v limitaci, ale relativně výrazně nižší střední výkon (¼ napětí, 1/16 výkonu) znamená nižší namáhání zátěže (reproduktoru) i zesilovače.

Generátor zapojíme do vstupu zesilovače, výstup ze zesilovače pak přímo změříme sondou – nezapomeneme nastavit správný přenos sondy, vřele doporučuji 1:10.

Obrázek 9: Jen pozor na nastavení frekvence – 1 kHz odpovídá celému průběhu, samotná narůstající sinusovka má daleko vyšší frekvenci, zde přibližně 14 kHz…a true RMS úroveň je cca 25% maximální amplitudy posledního kmitu

 

Obrázek 10: Okamžik limitace. Bohužel hodnota kurzoru A není k dispozici při ukládání obrázku, ale jak je vidět, měření maxima funguje dobře. 16,88 V do 4 Ohm odpovídá okamžitému špičkovému výkonu 71 W a RMS výkonu pro sinus pak 35,5 W

Kontrola spojitosti kabelu / délky k poruše nebo délky kabelu například navinutého na bubnu nebo v instalaci

 

Obrázek 11: VELMI improvizovaný ale univerzální způsob, jak připojit měřený kabel. Pokud byste dělali měření častěji, bude vhodnější nějaký přípravek. Je třeba ovšem pamatovat na VF parametry a zároveň umožnit připojení holého kabelu…zkrátka přizpůsobit se nejčastějším úkolům tak, abyste maximálně šetřili čas, samozřejmě v rámci možností

Kabel představuje prostředí, kterým se šíří signály za určitého poměru elektrické a magnetické složky pole. Jejich podíl udává charakteristickou impedanci kabelu. Zároveň geometrie kabelu a typ dielektrika určitým způsobem udávají rychlost šíření signálu. Tento parametr se nazývá anglicky velocity of propagation, a udává se v poměru k rychlosti světla. Například Cat5e kabely mají typicky tuto rychlost cca 0,6 – 0,7 c, tedy 60 -70 % rychlosti světla. Koaxiální kabely s pěnovým dielektrikem se mohou dostat až na 0,85 c, speciální typy takřka bez dielektrika pak až na 0,95 c.

Pokud pošleme do takového kabelu impulz, bude se šířit kabelem, dokud nenarazí na nějakou diskontinuitu nebo nepřejde do zakončovací impedance. Pokud je na kabelu porucha, nebo je nezapojený, dojde k odrazu impulzu, který je možné změřit osciloskopem.

Na generátoru zvolíme tentokrát co nejkratší pulz (čím kratší, tím kratší kabel bude možné změřit), pro jednoduchost offset takový, aby ustálená úroveň byla 0 V, na amplitudě samotné až tak nesejde, je třeba jen počítat s eventuálním útlumem na kabelu.

Obrázek 12: Nastavení generátoru pro kontrolu odrazu na kabelu – příklad

Obrázek 13: Odraz na kabelu cat5e, otevřený konec

Obrázek 14: Odraz na kabelu, tentokrát je konec zkratovaný

Obrázek 15: Odraz na kabelu, tentokrát zakončený odporem 220 Ohm (impedance Cat5e je cca 110 Ohm)

Na osciloskopu tedy vidíme impulz z generátoru a s nějakou prodlevou odražený impulz z konce kabelu. Jak tedy spočítat přibližnou délku kabelu a typ poruchy?

Na otevřeném konci se impulz odrazí se stejnou polaritou, zatímco v případě zkratu bude odražený impulz s opačnou polaritou. Časová prodleva pak bude odpovídat dvojnásobku doby zpoždění, dané délkou kabelu:

Změřené zpoždění je cca 580 ns. Rychlost světla je cca 3. 108 m/s. U kabelu Belden 1583E udává výrobce relativní rychlost 0,7 c. Takto změřená délka kabelu tedy bude následující:

No a reálná délka kabelu Belden 1583e byla 57,2 m. Přesnější prací s kurzory by šlo nejspíš ještě zpřesnit odečet, nicméně i tak je chyba 4 m na 60 m délky celkem slušná, zejména s přihlédnutím k tomu, že nejde o specializovaný přístroj, nikoliv kalibrovaný reflektometr. Navíc hodnota rozdílu zpoždění mezi páry tohoto kabelu (delay skew) je 40 ns/100 m, což je u 60 m kolem 24 ns. Jinými slovy jsme téměř v toleranci. Pokud si na kabelu známe délky provedeme „kalibraci“ měření rychlosti šíření, mělo by být možné se dostat ještě k přesnějším hodnotám.

Rovněž lze přibližně zkontrolovat útlum, neboť trvání impulzu 43 ns velmi zhruba odpovídá základní frekvenci kolem 11 MHz. Belden 1583e má udávaný útlum 6,3 dB/100 m, pro 120 m (tam a zpátky) bude hodnota kolem 7,5 dB. No a změřený poměr impulzů je cca 1,2 V oproti 480 mV. Útlum tedy bude:

Přesnější by bylo porovnat spektra vstupního a odraženého signálu a útlum pak vyjádřit pro každou složku spektra.

Sice jsme zde omezení na pásmo cca 10 MHz, ale v rámci toho celkem slušné možnosti na obyčejný ruční skopmetr de facto entry-level kategorie.

Další možností je kontrola spojitosti kabelu – pokud podle délky kabelu má přijít odraz za řekněme 2 mikrosekundy, ale na osciloskopu je vidět nějaký impulz ještě dříve, například po 500 ns, je pravděpodobné, že v odpovídající vzdálenosti je na kabelu nějaká závažnější porucha. Podle tvaru odraženého impulzu můžeme i určit, zda jde spíše o svod, nebo přerušení – například rozpletení kabelu a zapojení do svorkovnice by se chovalo podobně, jako částečně otevřený konec. Zkrátka a dobře pokud je kabel v pořádku, neměl by být po cestě vidět žádný „dílčí“ odraz.

Pro informaci uvedu, že nejkratší impulz s nejdelší periodou opakování, které generátor umožňuje nastavit, jsou:

  • Frekvence = 25 kHz

  • Šířka pulzu = 40 ns

  • Strmost = 15 ns (vzestupné i sestupné hrany)

Dlužno podotknout, že vlivem nedokonalého firmwaru se při překročení mezních hodnot nějakého parametru při změně jiného parametru (například šířky pulzu při změně frekvence) nastaví nějaká hodnota třeba 18 ns šířky pulzu a číslice v nejnižším řádu pak nejde změnit…. Co zafunguje je buď přepnutí smyslu zobrazení (například střídy místo šířky pulzu), nebo nastavení hodnoty na maximum a pak zpět na požadovanou hodnotu. Je totiž nutné si uvědomit, že všechny parametry jsou svázány přes počet vzorků signálu, vzorkovací frekvenci generátoru a dále že strmost pulzu nemůže být delší, než šířka pulzu (strmost každé hrany se nastavuje nezávisle).

Měřit lze i obyčejné kabely, které nemívají definovány VF parametry, jen to vyžaduje předchozí změření nějakého zkušebního návinu se známou délkou a v ideálním případě i několik pokusů (u vícežilového kabelu třeba všechny žíly). Tím si uděláme obrázek o rychlosti šíření a zároveň o rozptylu parametrů.

Poznámka – Profesionální reflektometry fungují ještě trochu jinak – měří komplexní impedanci pro všechny body spektra v zadaném pásmu. Z takto změřeného komplexního spektra poté inverzní fourierovou transformací spočítá odpovídající impulzní odezvu. A zde jsou již vidět odrazy, které na rozdíl od výše uvedené přímé metody odpovídají přímo dané mu pásmu. VF systémy jsou totiž obecně úzkopásmové, přizpůsobení nás tak zajímá jen na určitém pásmu (pracovních) frekvencí, na jiném pásmu se mohou chovat jinak – přepěťová ochrana může třeba mít podobu 1/4vlnného vedení, které je pro nižší frekvence v podstatě zkrat.

Změření latence audiozařízení (mixpult)

Zvolíme v podstatě jakýkoliv průběh, který umožňuje určit posunutí. Nehodí se tedy sinus, zato modulovaný sinus (podobně jako u kontroly bodu limitace) bude vyhovovat, ideální pak bude funkce Sin(x)/x (rovněž obsažená v generátoru). Na jeden kanál přivedeme přímo výstup z generátoru, na druhý pak výstup z měřeného zařízení. V generátoru doporučuji zadávat spíše v režimu periody, než frekvence, neboť bude zřetelnější maximální měřitelná latence – perioda signálu musí být pochopitelně delší, než latence měřeného zařízení.

Synchronizujeme podle kanálu za generátorem. Na displeji pak budou vidět dva signály vzájemně posunuté o latenci. Po změření pro jistotu ještě změníme periodu signálu (třeba o 20%), abychom měli jistotu, že zpoždění zůstalo stejné.

Obrázek 16: Latecne zvukové karty při použití Sin(x)/x neboli Sinc funkce (frekvence celého průběhu 50 Hz, umožňující měřit latenci až 20 ms)

Měření kapacity baterie

Díky možnosti extrémně pomalé časové základny je možné osciloskopem měřit i tak pomalé děje, jako je vybíjení baterií. Podle předpokládané kapacity zvolíme zatěžovací odpor a měřítko časové základny. Režim spouštění výhradně AUTO. Osciloskop nabízí až 1000 s/dílek. Při vzorkování 0,25 Sa/s, tedy 1x za 4 s, a délce záznamu typicky 4000 vzorků máme k dispozici až 16 000 s/ 4,4 hod záznamu. S tím už se dá něco pořídit… Mírnou nevýhodou je vnitřní šum přístroje (průnik VF napětí), který poněkud snižuje rozlišení měření napětí, nelze tak spoléhat na to, že u napětí 10 V budeme měřit s rozlišením na milivolty. Bez jakékoliv úpravy to budou spíše dvě desetiny voltů. Na druhou stranu tento šum dokáže zafungovat jako dither a s nějakým průměrováním dat excelu (samozřejmě že ideálně Open/Libre office Calc nebo GNU\Octave) se lze ve finále dostat na celkem slušné rozlišení.

Kontrola komunikace (UART, RS232/485, DMX, S\PDIF, AES3 apod)

Parametry skopmetru umožňují i kontrolu některých pomalejších komunikačních rozhraní, tedy ve smyslu kontroly analogových průběhů signálu. To se může hodit, pokud pozorujeme například výpadky nebo selhání komunikace. Buď všeobecně, nebo při vyšších rychlostech. Další možností je například kontrola rozhraní sériové komunikace, kdy nevíme, zda jde o RS232 (+/- 12V), UART 3V3 nebo 5V – a záměna může vést ke zničení přístroje.

Počítáme zde s protokoly do rychlosti cca 1 MHz (2 Mbaud/s), které jsou bezpečně v možnostech přístroje. Zde sonda 1:10 představuje stále impedanci nad 7 kOhm, což by dramaticky nemělo ovlivňovat signál.

Po zobrazen signálu můžeme zkontrolovat úroveň signálu a při překrytí více „slov“ přes sebe (díky slušným akvizičním schopnostem Owonu, Nutnost nastavit HOR – Refresh na High) lze zkontrolovat i trvání nejkratších symbolů (= rychlost komunikace) versus strmost signálu a tedy možnosti rozlišení hodnot Low a High. Vlivem pomalého prvku (dlouhý kabel, optický oddělovač apod.) nebo rušení totiž nemusí stačit strmost signálu na bezpečný přechod mezi hladinami Low a High, eventuálně jejich rozlišení je nemožné vlivem šumu. Další možností jsou třeba odrazy na kabelu, které se pletou do signálu, a nebo i samotný útlum kabelu, kdy signál již nedosahuje úrovně nezbytné pro dekódování hodnoty „High“.

Obrázek 17: Měření UART komunikace – šířka symbolu 8,6 mikrosekund odpovídá rychlosti 116 280 Bd, správně je 115200. Změřit to lze i přesněji po roztažení časové osy, pro názornost ale bylo ponecháno pomalejší měřítko

Pokud tedy v komunikaci něco nechodí jak má nebo máme předem podezření, eventuálně se pohybujeme na hranici specifikací, s osciloskopem máme možnost zhodnotit kvalitu signálu vzhledem k okolnostem a případně učinit nějaká opatření. Je to rozhodně lepší, než zkoumání jen na základě „chodí/nechodí“.

Obrázek 18: Detail náběžné hrany signálů sériové komunikace UART 3V3 Arduino DUE, 115200 Bd, sonda 1:10. Z tvaru je zřetelné překrytí více průběhů přes sebe (tak jako u analogového zobrazení), což prozrazuje proměnlivá šířka stopy. U vyšších řad přístrojů bývá četnost výskytu signálu naznačena jasem, nebo dokonce barevnou škálou – třeba u produktové řady Tektronix DPO

 

V případě symetrických signálů (RS485, DMX512) bohužel nezbude než pouze vykreslit oba signály ve dvoukanálovém režimu, neboť Owon neumožňuje zobrazit rozdíl signálů (CH1-CH2).

Závěr

Snad se vám článek líbil a poskytl nějakou inspiraci. A já slibuji, že se pochlapím a dokončím ten skript v Octave pro offline analýzu.

1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars (zatím bez hodnocení)
Loading...

1 komentář: „Moderní multifunkční skopmetr – čím může být užitečný – 3. díl

  • 12.2.2022 (1:03)
    Permalink

    %%CHANGEAUTHOR%% set %%AUTHOR%% as the author of the ticket

    Reagovat

Napsat komentář