Moderní multifunkční skopmetr – čím může být užitečný pro zvukaře – 1.díl

V tomto krátkém seriálu se vám pokusím představit vlastnosti a schopnosti moderního skopmetru, a to i z perspektivy řešení problémů, se kterými se lze setkat při kontrole a údržbě techniky nebo při řešení problémů v terénu, aneb co dnes lze pořídit pod 6000 Kč včetně DPH (01/2022).

Seriál je rozdělen na tři části:

• Teorie, resp. Popis osciloskopů a jejich funkčních celků
• Popis funkci a ovládání samotného skopmentru Owon HDS272S
• Praktické příklady použití

Co je to skopmetr?

S rozvojem digitálních osciloskopů a pokračující miniaturizace se tak před 15 lety začaly objevovat první pokusy o osciloskopy s levným grafickým monochromatickým displejem, které bylo možné vtěsnat do formátu běžného ručního multimetru. Leckdy ani nešlo o drahá zařízení, ovšem za cenu výrazně horších parametrů oproti plnokrevným DSO (Digital Storage Oscilloscope) – vzorkování řádu jednotek MSa/s a šířka pásma stovky kHz, obojí v lepším případě. To však stále byly jen osciloskopy. Pravý „skopmetr“ vznikl až kombinací multimetru a malého osciloskopu. Takové přístroje pak buď nabízejí funkci osciloskopu pro stejné vstupy, jaké používá multimetr (u přístrojů s výrazně nižší šířkou pásma), nebo je sekce osciloskopu samostatná. Obvykle ale nelze používat obě funkce najednou. Toto spojení každopádně znamená velmi výkonný a užitečný nástroj při řešení široké škály problémů, a přitom se vejde do větší kapsy…

Moderní skopmetry (označované jako 3v1) však mají ještě jeden trumf – nabízejí ještě funkční generátor! Když k tomu přidáme možnost propojení s počítačem (což u přenosného přístroje sice není hlavní deviza, ale proč ne), je takový přístroj opravdu výkonným pomocníkem jak na cesty, tak pro studenta při objevování tajů elektrotechniky. A samozřejmě i pro zvukaře/technika, který je nucen řešit všelijaké problémy s technikou v terénu.

Abychom mohli docenit veškeré možnosti, případně byly schopni správně měřit, pokusím se vám v následujících odstavcích přiblížit jednak obecnou funkci osciloskopů, měření obecně, ale i nějaké aspekty elektrotechniky a signálů, které se mohou v praxi hodit. Nakonec nebudou chybět praktické příklady s použitím skopmetru Owon HDS272S, srovnání s podobným přístrojem Hantek 2000 (v rámci možností, neboť tento přístroj nevlastním) a i nějaký skript pro analýzu a zobrazení uložených měření v prostředí GNU\Octave (jakmile dokončím). Tím si rozšíříte možnosti měření.

DSO

Jelikož někteří nemusí být zcela obeznámeni s funkcí osciloskopu, pro sjednocení znalostí zde uvedu popis DSO a osciloskopů obecně – trocha (technických) informací ještě nikoho nezabila.

Osciloskop jest přístroj pro zobrazování kmitů, tedy průběhů elektrických veličin. Z logiky věci tedy hlavně napětí. Každý osciloskop bez výjimky obsahuje vstupní část, typicky se vstupní impedancí 1 MOhm a kapacitou kolem 20 pF. Ta se skládá ze vstupního děliče a vstupního zesilovače (ne všechny rozsahy musí být řešeny výhradně vstupním děličem) spolu s ochrannými obvody. U digitálních přístrojů poté následuje A/D převodník, u analogových pak vertikální zesilovač pro obrazovku.

Podstatný fakt ale zůstává – všechny DSO jsou z pohledu vstupu analogové přístroje se všemi jejich charakteristikami a přesnostmi!

Způsob zobrazení signálu u osciloskopu

Zásadní pro jakékoliv měření je nějakým způsobem definované zobrazení veličin. I když první zapisovače průběhů (psaly na odvíjený papír, šlo tedy o oscilografy) pocházely z 19. století, a první CRT osciloskopy existovaly již ve 30. letech, první univerzální osciloskop s kalibrovanou a SPOUŠTĚNOU časovou základnou uvedl na trh až Tektronix v roce 1946 v podobě modelu 511.

Horizontální a vertikální kanál

Analogové osciloskopy měly pro zobrazení průběhů takzvaný horizontální a vertikální kanál. To souviselo s tím, že analogové CRT obrazovky (s elektrostatickým vychylováním) měly systém horizontálního a vertikálního vychylování paprsku, který pak na stínítku vykresloval signál. Stínítko je nejčastěji rozděleno do rastru 8×10 čtverců, takzvaných dílků. U analogových přístrojů byla velikost čtverce obvykle 1×1 cm, proto se dříve udávaly nastavené hodnoty třeba 100 mV/cm, ovšem velikosti obrazovek se přeci jen lišily, proto se přešlo při udávání zobrazení a parametrů k obecnějšímu pojmu dílek (division nebo zkráceně „div“). Tyto „jednotky“ budu používat i já.

Pro nastavení zobrazení tedy osciloskopy disponují ovládacími prvky pro nastavení řekněme měřítek os X (horizontální kanál, zvaný též časová základna – Time Base), a osy Y – takzvané vertikální vychylování. Často přístroj umožňuje ještě speciální režim X-Y (viz dále).

Pro zobrazení signálu tedy nastavujeme vertikální měřítko zobrazení signálu u jednoho nebo nezávisle u více vstupních kanálů, a dále časové měřítko. O časové měřítko se staraly obvody časové základny, jejichž úkolem bylo zajistit konstantní psací rychlost paprsku v horizontální ose pro všechny rychlosti (měřítka času osy X) a dále spuštění vykreslování v určité okamžiku v závislosti na vstupním signálu. Nastavení časové základny se tak skládá ze sekce Time (čas) a trigger (spouštění). Časová měřítka se opět nastavují v krocích 1-2-5, tedy například 100ns/div, 200 ns/div, 500 ns/div, 1 us/div, 2 us/div, 5 us/div…. Pokud je pro nastavení časového měřítka použit otočný ovladač, tak obvykle jeho otáčením po směru hodinových ručiček klesá hodnota času na dílek, neboť tak je to intuitivní – otáčením doprava „roztahujeme signál“. Bůh pomáhej, pokud by u digitálního zařízení/aplikace udělal programátor „technicky správně“, kdy by otočením doprava hodnota narůstala, což se občas děje, zejména u softwarových nebo tlačítkových výtvorů. Pak je práce s takovým produktem za trest.

Ve speciálním režimu X-Y je pak v podstatě časová základna deaktivována a o horizontální „vychylování“ nebo chcete-li polohu se stará druhý signál – buď speciální vstup na osciloskopu nebo jeden ze vstupních kanálů. Tento režim má poměrně specifické využití, například pro zobrazení volt-ampérových charakteristik (pokud jeden kanál vykresluje proud) apod.

Spouštění časové základny

Jak již bylo zmíněno výše, teprve spouštěná časová základna dělá pravý osciloskop.

Spouštění znamená, že se zobrazení signálu nastavenou (kalibrovanou) rychlostí spustí teprve v okamžiku, kdy vstupní signál splní jisté parametry – typicky na vzestupné / sestupné hraně signálu (= Slope) nabyde signál konkrétní napěťové úrovně (= Trigger Level). Díky tomu je zaručené, že i signál, který se neobjevuje přesně periodicky bude spuštěn ve stejný okamžik, respektive na obrazovce se jednotlivá opakování vykreslí na stejné místo přes sebe. Zobrazení se tak skládá (u analogových modelů) z opakovaného přepisování signálu na obrazovce ve stejné poloze vzhledem k okamžiku spuštění, a díky nastavení spouštění bude i stabilní stabilní, pokud bude tvar obecného impulzu totožný mezi jednotlivými opakováními – je třeba totiž mít na paměti, že analogové osciloskopy nedokázaly „zastavit“ jeden impulz a tak aby byl okem viditelný, bylo třeba signál vykreslovat s nějakou minimální obnovovací frekvencí (minimum dané dosvitem luminoforu obrazovek a vlastností lidského oka). U DSO je samozřejmě možné pohodlně zobrazit i samostatný impulz, viz dále.

Z tohoto přístupu vyplynuly i tři základní režimy spouštění časové základny:

• Auto
• Normal
• Single

Režim Auto obecně znamená, že když v nějakém časovém okně nesplní vstupní signál parametry pro spuštění (nastavení spouště časové základny), automatika přesto po určité době spustí časovou základnu a tím i zobrazení signálu. Pokud tedy lovíme nějaký neznámý signál, je toto výchozí způsob spouštění.

V režimu Normal je běh signálu spouštěn pouze v případě, pokud vstupní signál splní nastavené parametry. Pokud k tomu nedojde, u analogových osciloskopů se nezobrazí nic, digitální obvykle ponechají zobrazený poslední zachycený průběh. Při troše nepozornosti se tak může stát, že signál už dávno odezněl a my zůstáváme v domnění, že máme konečně stabilně zobrazený signál. Proto je dobré kontrolovat indikátor Wait/Triggered někde v rohu obrazovky, zda se signál alespoň občas obnoví….

V režimu Single dojde ke spuštění signálu po překročení spouštěcí úrovně pouze jednou. Tento prvek je obvykle doplněn o tlačítko spouštění (single, play/pause apod.), aby časovou základnu bylo možné ručně „nabít“ na další spuštění. U analogového osciloskopu jsme u jednorázových dějů / zobrazení single byly odkázáni buď na fotografický přístroj (telefon), nebo na paměťovou obrazovku, u digitálních přístrojů je signál uložen a můžeme si ho dosytosti prohlížet, zvětšovat, analyzovat apod.

Tyto charakteristiky jsou společné pro analogové i digitální přístroje. Jediným řekněme uživatelským rozdílem je fakt, že okamžik spuštění časové základny vzhledem k zobrazenému signálu je u analogových osciloskopů zcela vlevo (logicky nedokáží vykreslit signál před okamžikem spuštění), zatímco digitální přístroje mají výchozí bod uprostřed obrazovky. Digitální přístroje dále nabízí poněkud více parametrů (například spouštění šířkou impulzu, střídou), levnějším naopak může chybět něco ze starých analogových pracantů – např. HF/LF rejection, tedy úprava signálu před spouštěním dolní nebo horní propustí (což významně pomohlo pro stabilní zobrazení LF signálů s HF rušením nebo naopak HF signálů s LF rušením).

Měřicí sonda a vstupní dělič

Vstupní dělič jest obvod, který přizpůsobí přenos napětí na požadovanou hodnotu. Vzhledem k šířce pásma (typicky alespoň desítky MHz) a použitým impedancím je u osciloskopů zásadní, aby byl dělič kompenzovaný, což v praxi znamená dodržení dělícího poměru v celém frekvenčním pásmu, s chybou typicky 1-2% (základní parametr přesnosti přístroje). Jak už jsem zmínil na začátku, typická hodnota vstupní impedance je 1 MOhm paralelně s 20 pF. Již pro frekvenci 1 MHz tato kapacita způsobí pokles vstupní impedance na necelých 8 kOhm! Jelikož pro každé měření je potřeba přivést signál na vstupní svorky, což obvykle nelze jinak, než kabelem, který má typické kapacity cca 25 – 100p/m, způsobila by obvykle samotná vstupní kapacita kabelu a vstupu osciloskopu příliš velkou zátěž na měřený obvod (příliš nízká zatěžovací impedance – pro 10 MHz se bavíme o ekvivalentní impedanci pod 100 Ohm). To je ovšem v rozporu na obecný požadavek pro jakékoliv měření – proces měření by neměl v žádném případě ovlivňovat měřený obvod.

Z tohoto důvodu se používá měřicí sonda, nejčastěji 1:10. Jejím principem je zvýšení vstupní impedance na přijatelnou mez, elektrické zapojení je pak u nejjednodušších sond (pro šířku pásma 25 – 100 MHz) v podstatě hodné s kompenzovaným vstupním děličem (kvalitní sondy mají zapojení poněkud složitější).

Schema kompenzovaného děliče je na obrázku 1. V případě sondy představuje vstupní odpor osciloskopu rezistor R2. Kondenzátor C2 pak představuje součet kapacity vstupu (20 pF) a kabelu (řekněme 100 pF). Pro nízké frekvence je tedy výstupní napětí dáno poměrem odporů:

Pro vysoké frekvence budou naopak určující poměry impedancí kondenzátorů, které jsou nepřímo úměrné kapacitám:

Pro přenos 1:10 pak bude hodnota R1 9 MOhm, zatímco hodnota C1 bude 1/9 hodnoty C2, tedy cca 13,3 pF. Celková vstupní impedance z pohledu sondy tak bude 10 MOhm paralelně 11,97 pF. Pouze v tomto případě bude přenos děliče frekvenčně nezávislý a průběh signálu tedy bude nezkreslený. Pokud by poměry kapacit byly jiné, bude existovat pásmo frekvencí, ve kterém se bude dělič chovat buď jako derivační, nebo integrační článek. Právě kapacitní poměr je to, co se nastavuje při kalibraci sondy na vstup osciloskopu (typicky na obdélníkový průběh 1 kHz).

Další vlastností takového děliče je výrazné snížení vstupní kapacity obvodu, ovšem za cenu snížení přenosu (snížení signálové úrovně). To je velmi důležitá vlastnost – při měření na vysokoimpedančních obvodech a vyšších frekvencí totiž právě z těchto důvodů může být potřeba sáhnout po sondě s přenosem 1:100, i když by to samotné napěťové úrovně nevyžadovaly (výrazně dražší alternativou jsou aktivní FET sondy). Taková sonda pak znamená zátěž měřeného obvodu impedancí 100 MOhm paralelně s řekněme 2-4 pF, což zaručí impedanci téměř 4 kOhm ještě na 10 MHz, zatímco se sondou 1:1 bychom se pohybovali někde kolem 150 Ohm.

Výše uvedené příklady vycházejí z určitého zjednodušení. V reálu je zejména chování reálné části vstupní impedance sondy poněkud složitější, celková velikost impedance se ale dramaticky neodlišuje od uvedeného přiblížení.

Rovněž je potřeba mít na paměti, že šířka pásma osciloskopu obvykle platí právě se sondou 1:10. Praktický příklad – u Owon HDS272S je udávaná šířka pásma 6 MHz se sondou 1:1, zatímco se sondou 1:10 je to 70 MHz.

Šířka pásma u osciloskopu

U digitálních přístrojů je typicky šířka pásma omezena především vzorkovací frekvencí a obecně není nejdůležitějším parametrem – tím je nejkratší strmost a tvar čela impulzu. U osciloskopů (analogových i digitálních) to však neplatí, respektive šířka pásma je omezena ještě více, než je teoretické maximum plynoucí z vlastností vzorkovacího obvodu. Osciloskopy jsou obvykle optimalizované pro co nejpřesnější zobrazení tvaru signálu. To v praxi znamená především zobrazení hran impulzů bez překmitu v maximální možné rychlosti a zobrazení co nejméně zkresleného tvaru signálu. Z tohoto důvodu plyne obecný požadavek na vzorkování periody alespoň deseti vzorky (abychom rozeznali sinus od obdélníku). Požadavek na přenos hran impulzů bez překmitů vede na přenosovou charakteristiku s Gaussovským průběhem (oproti charakteristikám Butterworth, Bessel apod.), která ale začíná klesat mnohem dříve, než odpovídá typické hodnotě -3 dB. Tříprocentní chyba amplitudy se tak vyskytuje již při 1/3 šířky pásma.

Zkrátka a dobře šířka pásma u osciloskopů není zdaleka tak přesně svázána se vzorkovacím kmitočtem, jako u audiozařízení, a s větší chybou měření amplitudy je třeba počítat již na 1/3 analogové šířky pásma přístroje.

V případě modelu Owon HDS272S tak s parametry vzorkování 250 MSa/s a šířkou pásma 70 MHz můžeme očekávat relativně přesné zobrazení signálů s frekvencemi do cca 20 MHz – 12,5 vzorku/periodu a cca 3% chyba amplitudy.

Aliasing u DSO

Kdyby šlo jen o gaussovský průběh, byla by situace ještě růžová. V reálu je podstatný faktor zejména omezení paměti digitálního osciloskopu, které si vynucuje snížení vzorkovací frekvence při pomalejší časové základně. Na rozdíl od audiozařízení však DSO nemívají zrovna nijak oslnivý antialiasingový filtr, respektive více filtrů pro různé délky časové základny. Jednak by to bylo složité, ale také by to nepříznivě ovlivnilo zobrazení časových průběhů, neboť nejdůležitějším úkolem osciloskopu je co nejvěrnější zobrazení impulzů. Je přijatelné zpomalení hran impulzů vlivem konečné rychlosti přístroje, ale i toto zobrazení by mělo být prosté jakýchkoliv překmitů, zákmitů a jiných artefaktů.

U kvalitních (a příslušně drahých) přístrojů tak může být signál nějak předzpracován – například tím, že se vzorkuje stále plnou rychlostí, a pro jeden časový okamžik na displeji se pak vykreslí třeba celý rozsah zachycených napětí, navíc třeba i se zobrazením četnosti různých hodnot v barevné škále, levnější přístroje ale nic takového nemají a aliasing je tedy něco, s čím musíme počítat při nastavení delších časů u signálu, který by mohl obsahovat silnější složky ve vysokých frekvencích. Naštěstí nás slušnější přístroje informují o aktuální vzorkovací frekvenci, abychom měli alespoň nějaký záchytný bod. U analogových přístrojů se s tím nemusíme nijak zabývat neboť rychlost přístroje není nastavením časové základny nijak ovlivněna.

Digitální osciloskopy mívají naproti tomu jedno magické tlačítko – AUTO, které nastaví vhodnou citlivost, časovou základnu a nějak i úroveň spouštění. Poté obvykle stačí jen mírně upravit nastavení pro požadované zobrazení.

Multimetr

Multimetr je základní měřicí přístroj každého, kdo má co do činění s elektřinou. Nabízí měření napětí, proudu (obojí stejnosměrné i střídavé) a obvykle i elektrického odporu. Dále bývají již celkem standardně vybaveny měřením napětí PN přechodu (úbytku napětí při průchodu proudu typicky kolem 1 mA). Vyšší, než nejzákladnější modely pak obvykle nabízí ještě možnost měření kapacity a frekvence, eventuálně proudový zesilovací činitel tranzistoru se společným emitorem (hfe).

K měření napětí a proudu snad jen podotknu, že při měření napětí má voltmetr vysoký vnitřní/vstupní odpor (podobně jako osciloskop) a zapojuje se paralelně k zátěži/místo zátěže, zatímco při měření proudu má ampérmetr naopak takřka nulový vnitřní odpor (aby mohl vůbec procházet proud) a připojuje se tedy do série se zátěží (= do cesty proudu).

Pokud tedy nejde o vysloveně kompaktní přístroje s pevnými vývody, mívají proto samostatné svorky pro napětí a proud. Zásadní chybou pak je přikládání ampérmetru ke zdroji mezi (+) a (-), tedy paralelně k zátěži, kdy obvykle shoří nějaká pojistka, eventuálně může dojít až ke zničení přístroje.

U multimetrů si pak ještě musíme dát pozor na hodnotu, kterou přístroj měří – obecně jsou u střídavých veličin přístroje určeny pro měření harmonických průběhu (= sinus), a to ještě do omezené frekvence (typicky kolem 400 Hz). Vnitřně ale přístroje, pokud není řešeno jinak, měří střední aritmetickou hodnotu – zjednodušeně průměrnou hodnotu usměrněného signálu. Jelikož se ale střední hodnota liší od efektivní hodnoty, zobrazují ve skutečnosti korigovanou hodnotu napětí, která je 1,1107x vyšší. To ovšem platí jen pro harmonický průběh. Má li signál jiný tvar, nebude hodnota odpovídat realitě.

Tomu zase předcházejí takzvané True RMS přístroje, které vzorkují signál a počítají jeho skutečnou efektivní hodnotu (s přihlédnutím k šířce pásma).

To nejpodstatnější, co si vzít z efektivní hodnoty, je fakt, že energie/výkon signálu je úměrný druhé mocnině jeho amplitudy. Je to v podstatě jiné vyjádření známého vzorce pro výpočet výkonu z napětí a proudu (na dané zátěži), kde je úměrnost výkonu a druhé mocniny amplitudy signálu (nebo DC úrovně) zřejmá:

Amplitudou je zde přirozeně hodnota napětí nebo proudu, podle toho, který signál sledujeme.

Toliko teoretické minimum pro další pokračování článku. Nyní se vrhneme na samotný přístroj a co opravdu užitečného nám může nabídnout

…pokračování druhým dílem příště