Na úvod triviálna, ale základná otázka. Čo je to osciloskop?

Je to zariadenie, ktoré ma verne zobraziť priebeh elektrického ­signálu, zväčša napätia. Vstupný signál je teda v prípade bežných tzv. real-time osciloskopov napätie, ale inak to môže byť aj iný signál, napr. prúdový z prúdovej sondy. Tzv. modulárne osciloskopy majú k dispozícii aj optický modul a vstupom je v tom prípade optický signál. V každom prípade, osciloskopy sú určené predovšetkým na meranie rýchlych signálov. Rýchlosť je jedným z kľúčových parametrov osciloskopu, aby dokázal zobraziť tvar rýchleho signálu.

Aké sú ďalšie parametre, ktoré určujú kvalitu osciloskopu?

Je to šírka pásma. Ide o maximálnu frekvenciu signálu analógového pásma, ktorý možno preniesť na obrazovku. Je to miesto, kde sa v analógovom kanáli objavuje vo frekvenčnej amplitúdovej charakteristike útlm 3 dB, čo znamená, že signál je už o 30 % slabší. Hraničná frekvencia, ktorá určuje šírku pásma a do značnej miery aj cenu osciloskopu, to je miesto, kde vidieť vstupný harmonický signál s 30 % poklesom. Osciloskop musí mať veľkú šírku pásma, aby dokázal zobraziť vyššie harmonické rôznych signálov, ktoré sú násobkom základnej frekvencie, šum v signáloch, ako aj charakteristické črty skúmaných signálov. Pamäť na kanál je takisto dôležitý parameter. Lacnejšie osciloskopy disponujú niekoľkými tisíckami vzoriek na kanál, vyššie rady majú už niekoľko miliónov až desiatok a stoviek miliónov vzoriek na kanál. Veľká pamäť je výhodná napr. pri zachytávaní vzoriek pri sériových komunikáciách.

Ako sa medzi sebou líšia osciloskopy základnej, strednej a vyššej  triedy?

Základná trieda má šírku pásma zväčša do 200 MHz, stredná siaha do jednotiek GHz a vyššia trieda sa šplhá až k desiatkam GHz. Výrobcovia dnes ponúkajú vo väčšine prípadov číslicové osciloskopy. Čo sa týka softvérovej časti, základné osciloskopy majú svoj vlastný systém. Používa sa aj Linux, ktorý však koncový používateľ nevidí a ani nevie rozpoznať. Niektoré osciloskopy strednej triedy a vyššia trieda bežia aj na operačnom systéme Windows. To sú zariadenia v cenovej hladine 10-tisíc € a viac. Z parametrov je dôležité spomenúť ešte frekvenciu vzorkovania, ktorá by mala byť zladená so šírkou pásma. Známa Shannonova-Koteľnikova veta hovorí, že treba mať aspoň dve vzorky v jednej perióde najvyššej frekvenčnej zložky vstupného signálu, aby ho bolo možné zrekonštruovať.

Výrobcovia však uprednostňujú vždy minimálne 2,5-násobok. Pri tých lacnejších osciloskopoch sa tento násobok blíži k číslu 10. Vyššie kategórie osciloskopov so šírkou pásma napr. 2 GHz nemusia mať také vysoké prevzorkovanie, pretože to je drahé a pri najrýchlejších modeloch dnes možno aj ťažko realizovateľné. Zväčša však osciloskop nepoužíva svoju maximálnu frekvenciu vzorkovania, ­pretože pri voľbe zobrazenia dlhšieho časového rozpätia by nestačila pamäť vzoriek, ktorá sa pri rýchlom vzorkovaní logicky aj rýchlo zaplní. Bežne používané znenie Shannonovej-Koteľnikovej vety však neodzrkadľuje dokonale vlastnosti procesu vzorkovania.

Pri splnení tejto vety sa vyhýbame tzv. aliasingu, t. j. prenášaniu vysokých frekvenčných zložiek do oblasti nízkych frekvencií. Princíp tohto procesu však môže byť niekedy užitočný, napr. v osciloskopoch využívajúcich vzorkovanie v ekvivalentnom čase. Podmienkou je periodický dej na vstupe. Z takéhoto signálu sa potom odoberajú vzorky tak, že jedna sa berie z jednej periódy, druhá z inej periódy posunutá o malý čas oproti predchádzajúcej a to isté aj pri tretej a ďalšej vzorke. Z takýchto vzoriek sa následne vyskladá perióda signálu. Tým sa dajú aj veľmi rýchle signály vykresliť pomocou pomalej periódy vzorkovania.

Pekne sa tak dajú vykresliť aj prípadné poruchy signálu, vyskytujúce sa v každej perióde. Väčšina osciloskopov na trhu dokáže vzorkovať v reálnom aj ekvivalentnom čase. Samozrejme, vzorkovanie v ekvivalentnom čase sa na nepravidelné signály použiť nedá. Čo do šírky pásma, real-time osciloskopy sa čoraz viac približujú tým so vzorkovaním iba v ekvivalentom čase. Postupne takto význam vzorkovacích osciloskopov pri klasických aplikáciách klesá. Na druhej strane v prospech vzorkovacích osciloskopov hovorí menší šum v porovnaní s real-time osciloskopmi, ktorý sa pri spracovaní signálu v samotnom prístroji pridáva v analógovej časti.

Šum môže spôsobovať ťažkosti pri analýze signálov s nízkou amplitúdou, keď môže znehodnotiť pôvodný priebeh signálu natoľko, že ho nemožno rozpoznať. V takých prípadoch nepomôže nič iné, iba použiť v tomto zmysle kvalitnejší osciloskop. Čiastočne sa tento problém dá vyriešiť zmenšením šírky pásma, pretože čím väčšia šírka pásma, tým viac šumu sa prepustí na obrazovku. Niektorí výrobcovia s obľubou využívajú mieru šumu ako konkurenčnú výhodu, ale pri prezentácii často zatajujú, že šum tvorený ich prístrojmi je generovaný pri oveľa nižšej šírke pásma. Miera šumu sa vývojom čoraz viac znižuje. Dané to je dokonalejšou výrobou komponentov osciloskopov, napr. lepším tienením plošných spojov a integrovanejšími súčiastkami.

Vo zvyšných parametroch sa líšia veľkosťou pamäte a bohatosťou softvérového vybavenia. Kvalita osciloskopov sa líši aj od použitého triggra. Ten sa nedá opísať len jedným parametrom. Analógové osciloskopy majú v podstate len jeden trigger, a to základný trigger na hranu, ktorý sa v osciloskope nachádza vždy. Číslicové real-time osciloskopy majú aj iné možnosti triggra, napr. na šírku impulzu alebo v závislosti od sledu impulzov, prípadne kombinované triggre. Ide teda o viacúrovňový trigger, špičkové osciloskopy sa pýšia trojúrovňovým triggrom.

Aký je rozdiel medzi analógovými a číslicovými osciloskopmi?

Analógové osciloskopy sú vhodné na opakujúce sa deje. Na druhej strane však treba povedať, že na obrazovku dokážu vykresliť za jednu sekundu veľmi veľa opakujúcich sa dejov. Stále sa vykresľuje po tej istej krivke, nie však z pamäte, ale zo vstupného signálu. Analógové osciloskopy majú pomerne veľkú perzistenciu (zotrvačnosť obrazovky) a prípadnú, zriedka sa opakujúcu poruchu možno ľahko zaregistrovať. Toto bola aj nevýhoda číslicových osciloskopov pri nástupe na trh. Vykazovali menšiu pravdepodobnosť zachytenia chyby. V moderných číslicových osciloskopoch sa perzistencia analógových simuluje a pravdepodobnosť zachytenia chyby sa ­zvyšuje paralelizmom v meracom kanáli.

Na displej vedie jedna cesta priamo zo signálu a druhá do mikropočítača vykonávajúceho ďalšie výpočty. Dáta sa ukladajú do pamäte obrazovky a z nej sa to vykresľuje na obrazovku niekoľkokrát za sekundu. Dáta sa však do pamäte ukladajú veľakrát vrátane intenzity v každom bode. Bod prekreslený viackrát sa potom na obrazovke zobrazí výraznejšou farbou. Tieto typy osciloskopov sa nazývajú DPO – Digital Phospor Oscilloscope. Stredné a vyššie triedy osciloskopov touto funkciou disponujú automaticky. Analógové osciloskopy dnes vyrábajú už len menší výrobcovia, tí väčší, známejší už od toho upustili.

Posledná dekáda je charakterizovaná aj kombinovaním osciloskopu s logickým analyzátorom. Aké výhody to prináša?

Osciloskopy sa v poslednom období často využívajú na analýzu sériových komunikácií, resp. na analýzu sledu logických úrovní. Ak sled jednotiek a núl nefunguje, ako má, nestačí len logický analyzátor, potrebný je aj osciloskop. Komunikačné rýchlosti ­neustále narastajú a signál sa deformuje. Ide čoraz viac na hranu frekvenčných možností média, po ktorom sa signál šíri. Nie sú to už pekné pravouhlé impulzy, ale zaoblené impulzy. Zaoblenie je akceptovateľné do istej miery, len čo ju však presiahne, komunikácia zlyháva. Vtedy ­prichádza na scénu osciloskop, ktorý na rozdiel od logického analyzátora dokáže vidieť sploštenosť signálu.

Stredná trieda ­osciloskopov už dnes pomaly bežne disponuje možnosťou dekódovania RS232 alebo CAN zbernice z analógového kanála. Logicky sa potom žiadalo pridanie digitálnych kanálov a vznikol z toho mix osciloskopu a logického analyzátora. Tomu sa hovorí Mix Signal Oscilloscope (MSO). Digitálnych kanálov býva podstatne viac ako analógových. Ak má MSO štyri analógové, tak popritom má bežne 16 digitálnych kanálov. Je to užitočné, pretože súbežne sa môže analyzovať niekoľko signálov naraz. Využíva sa to najmä na analýzu zabudovaných (embbeded) systémov.

Aká je informovanosť zákazníkov na Slovensku? Vedia presne, čo hľadajú, alebo si skôr pri výbere osciloskopu dajú poradiť?

Zákazníci na Slovensku sa vyznačujú vernosťou k značke, resp. ak majú už nakúpené aj dodatočné príslušenstvo, ako napr. sondy, tak pri výmene osciloskopu radšej zostávajú pri rovnakej značke, aby nemuseli dokupovať aj nové príslušenstvo. Pri špičkových osciloskopoch sa k takým parametrom, ako je miera šumu, často ani nedostane, pretože sa zreteľ kladie hlavne na cenu a správne ­načasovanie atraktívnej ponuky. Ak sa toto podarí, zákazník väčšinou aj stráca záujem zaoberať sa konkurenciou.

Zákazníkov v ­prvom momente často nezaujímajú ani tak parametre ako skôr prívetivosť ovládania osciloskopu. Toto platí hlavne pre Slovensko. Verím však tomu, že v západnej Európe, kde je predaj intenzívnejší, kladú zákazníci na parametre oveľa väčší dôraz a viac sa na ne pýtajú. Zákazníka treba informovať o špecifikách osciloskopov a ­pozitívne je už to, keď ho tieto informácie zaujmú. Pre školy zase môže mať ­výhodu nakupovanie od viacerých výrobcov, pretože pri organizovaní vlastných konferencií si potom môžu vyberať z viacerých sponzorov.

Ak by ste mali posúdiť z vlastných skúseností, aké typy osciloskopov sa predávajú a kto má o ne na Slovensku záujem?

Do vypuknutia krízy v roku 2008 sa predávali väčšinou základné a nižšie stredné triedy. Odoberali ich hlavne spoločnosti pôsobiace v elektrotechnickom priemysle. V súčasnosti sa správanie zákazníkov zmenilo. Často buď šetria, alebo si osciloskopy zaobstarajú od materských firiem, ak ide o nadnárodnú spoločnosť. Na druhej strane zvýšené nákupy možno registrovať zo strany škôl. Tie si takéto investície často pokrývajú prostredníctvom štátnych programov alebo financovaním z Európskej únie.

Ktoré trendy sa objavujú v poslednom období v oblasti osciloskopov?

Osciloskopy sa uberajú cestou integrácie viacerých zariadení do jedného. V tejto súvislosti predstavuje v súčasnosti vrchol MDO osciloskop, čo je kombinácia osciloskopu a logického a spektrálneho analyzátora, čiže troch zariadení v jednom. Je to dané prirodzeným vývojom. Výhodou je to, že používateľ vidí, ako sa vyvíja signál v ­časovej oblasti a zároveň aj vývoj frekvenčného spektra. Možno korelovať dianie v časovej oblasti so spektrálnou. Využiť sa to dá napr. pri analýze nábehu komunikačného modulu alebo spínaného zdroja. Inou kombináciou je spojenie osciloskopu s generátorom signálov. Prax ukáže, ako sa táto kombinácia uplatní. Za výhodu však možno považovať úsporu miesta alebo spoločné používateľské ­rozhranie. Samozrejme, spájanie viacerých zariadení do jedného vďaka spoločnému využívaniu prostriedkov vedie aj k šetreniu nákladov.

Ďakujeme za rozhovor.