Od wielu lat jesteśmy przyzwyczajeni do oscyloskopów dwukanałowych. A dziś standardem, nawet wśród hobbystów, są oscyloskopy czterokanałowe. Dostępne są też oscyloskopy wielokanałowe. Poniższy artykuł omawia je i pokazuje przykłady wykorzystania wersji z sześcioma kanałami.

Na oscyloskop czterokanałowy może sobie pozwolić niemal każdy, ponieważ ich ceny zaczynają się mniej więcej od 1500 złotych brutto. Faktem jest, że oscyloskopy sześcio- i ośmiokanałowe są zdecydowanie droższe i że nie jest to sprzęt dla amatorów. Przykładem może być dość liczna rodzina Rigol DHO5000 i MHO5000. Profesjonaliści nie patrzą na ceny brutto, tylko netto, więc przy zakupie oscyloskopu wielu z nich weźmie pod uwagę wybór wersji wielokanałowej. W tym artykule pokazane są dwa przykłady wykorzystania oscyloskopu sześciokanałowego Rigol MHO5055. W rodzinie MHO5000 jest szereg modeli o różnej liczbie kanałów (4...8), różnym wyposażeniu i funkcjach oraz różnym paśmie przenoszenia (500 MHz albo 1 GHz). Maksymalna częstotliwość próbkowania wynosi 4 GSa/s. W tanich oscyloskopach regułą jest, że przy włączeniu dwóch kanałów każdy z nich próbkowany jest z częstotliwością o połowę mniejszą, a przy włączeniu 3 lub 4 kanałów – z częstotliwością 4 razy mniejszą.

W przypadku opisywanych tu, znacznie droższych, profesjonalnych DHO/MHO5000 jest inaczej – zdecydowanie lepiej, co mogę opisać w oddzielnym artykule. W każdym razie przetworniki 4 GSa/s są 12-bitowe, a to ma duże znaczenie praktyczne. Między innym pozwala uzyskać niewiarygodną czułość wejściową – 100 mikrowoltów na działkę (0,1 mV/dz).

Praktyczne znaczenie ma też fakt, że ekran jest duży (o przekątnej 10,1 cala), co rozwiązuje problemy osób, które mają kłopot z wyborem pozycji ekranowego menu na mniejszych ekranach – wiem coś o tym, bo na co dzień wykorzystuję DHO924S z ekranem 7-calowym.

W prezentowanych profesjonalnych oscyloskopach są gniazda wejściowe przystosowane do współpracy z dedykowanymi sondami. Dzięki temu oscyloskop nie tylko „wie wszystko o sondzie”, ale w razie potrzeby potrafi ją zasilać. Impedancję wejściową można wybrać w menu (1 MΩ lub 50 Ω).

Niektóre wersje mają dwa dodatkowe gniazda BNC (GI, GII), które są wyjściami wbudowanego podwójnego generatora arbitralnego 50 MHz (16 bitów 1 GSa/s). Niektóre mają wejścia sond logicznych (oparte na gniazdach USB–C – 16 kanałów 200 MHz).

Co ważne w praktyce, z tyłu jest gniazdo – wejście synchronizacji zewnętrznej. Warto też wiedzieć, że są tam też inne złącza, pozwalające precyzyjnie zsynchronizować pracę kilku takich oscyloskopów, czyli uzyskać dowolną liczbę kanałów. Oprócz standardowych złączy Ethernet USB-C i HDMI jest też możliwość poeksperymentowania z Wi-Fi i Bluetooth.

Do czego i dla kogo przeznaczone są takie oscyloskopy? Fotografia tytułowa sygnalizuje, że takie szybkie oscyloskopy idealnie nadają się do badania najrozmaitszych zasilaczy impulsowych i najróżniejszych przekształtników, w których wykorzystywane są nie tylko stosunkowo powolne tranzystory IGBT, ale też dużo szybsze MOSFET-y i jeszcze szybsze tranzystory WBG, czyli zbudowane z węglika krzemu SiC oraz z azotku galu GaN.

I właśnie choćby do kompleksowych pomiarów trójfazowych falowników niezbędne są oscyloskopy co najmniej 6-kanałowe. Żeby na przykład dla każdej z trzech faz mierzyć przebiegi napięcia, prądu (i mocy). Albo też żeby zbadać wszystkie szczegóły w sterowniku z dwoma MOSFET-ami w półmostku.

Dziś powszechnie wykorzystujemy zasilacze impulsowe i przekształtniki dla różnorodnych silników (asynchronicznych, BLDC, PMSM), gdzie kluczowymi elementami są pracujące w mostkach i półmostkach wysokonapięciowe tranzystory mocy przełączane z dużymi częstotliwościami, trójfazowe falowniki i sterowniki silników. Wszędzie tam kluczowe znaczenie mają „nanosekundowe szczegóły” dotyczące narastania, opadania oraz opóźnień.

Szybkie przebiegi występują w sprzęcie motoryzacyjnym oraz w automatyce i często trzeba tam symultanicznie śledzić szereg sygnałów. Coraz więcej osób rozumie i bada problemy jakości zasilania (power integrity). W systemach sterowania możemy łatwo określać wykresy Bodego, co oscyloskopy tej serii (z generatorem) oferują w zakresie do 50 MHz.

Znaczna liczna kanałów i czułość do 100 µV/dz umożliwiają testy w rozmaitych zastosowaniach laboratoryjnych, w tym medycznych. Coraz częściej zachodzi potrzeba jednoczesnego śledzenia przebiegów w licznych punktach, np. w najróżniejszych systemach, w tym w automatyce i motoryzacji, ale także w systemach embedded, m.in. z wykorzystaniem FPGA. Niekiedy więcej niż ośmiu przebiegów, i wtedy pozostaje zestawienie i mądre zsynchronizowanie dwóch lub więcej porządnych oscyloskopów. Porządnych, bo na przykład próba synchronizacji, skądinąd bardzo dobrych, DHO924 napotyka duże trudności – to jest zupełnie inna klasa sprzętu (oraz oczywiście inne ceny).

Opisywana rodzina DHO/MHO5000 to oscyloskopy uniwersalne, które mogą być użyte do najróżniejszych celów. Stosownie do potrzeb można dokupić dodatkowe opcje, np. do analizy mocy czy też do badania i dekodowania sygnałów mnóstwa współczesnych interfejsów, w tym interfejsu audio I2S.

Uniwersalność tych oscyloskopów zwiększa fakt, że mogą być zasilane z pakietu akumulatorów. Jednak finalne możliwości w największej mierze zależą od wykorzystanych sond. A do tych oscyloskopów dostępne są najrozmaitsze sondy, w tym sondy aktywne, różnicowe, prądowe, a nawet specyficzne sondy z bardzo skuteczną izolacją optyczną. Dopiero odpowiednio dobrane, dobre sondy pozwalają w pełni wykorzystać dostępne możliwości, ale sondy to oddzielny, szeroki temat na inny artykuł.

Przedstawię teraz dwa bardzo proste eksperymenty pomiarowe. Pierwszy, pozornie trywialny a w rzeczywistości ważny, bo pokazujący źródła słabo rozumianego problemu PFC. I oto na przykładzie prościutkiego klasycznego zasilacza docieramy do przyczyn bardzo istotnego dziś problemu.

Drugi, nieskomplikowany przykład jak na dłoni pokazuje zjawiska falowe zachodzące przy przesyłaniu impulsów o stromych zboczach przez szereg linii transmisyjnych oraz przez... sześciozwojową cewkę. Szczegóły dalej w artykule.

Tajemnice „zwyczajnego” zasilacza

Na fotografii 1 widoczny jest pomiar wszystkich najważniejszych przebiegów w klasycznym zasilaczu niestabilizowanym z prostownikiem mostkowym. Na ekranie mamy przebiegi wszystkich najważniejszych napięć i prądów. Prądów mierzonych jako malutkie spadki napięć na małych rezystancjach boczników (w tym eksperymentalnym układzie 0,1 Ω).

Fotografia 1

Na rysunku 2 pokazany jest schemat edukacyjnego, testowego zasilacza, który został zrobiony na potrzeby prowadzonego obecnie kursu podstaw elektroniki. Oprócz mostka prostowniczego M1, w układzie jest dodatkowa dioda Schottky’ego D_X i rezystor R_X, które są potrzebne w tej edukacyjnej wersji po to, żeby można było obserwować tętniący przebieg wyprostowanego napięcia na wyjściu mostka M1. Prądy są mierzone jako spadki napięcia na 0,1-omowych rezystorach R_S1...R_S3.

Rysunek 2

Dziecinne łatwą teorię dotyczącą klasycznych zasilaczy znamy wszyscy od dawna. I z przyzwyczajenia mówimy o „sinusoidalnym napięciu sieci energetycznej”. Z przyzwyczajenia. Bowiem dziś przebiegowi napięcia w sieci energetycznej daleko do sinusoidy! Ciemnoniebieski przebieg na ekranie oscyloskopu pokazuje, jak dziś wygląda ta „sinusoida sieci”. Jak jest mierzona?

Różnicowo! MHO5056 nie ma izolowanych kanałów, tylko wspólną masę wejściową. A w zasilaczu jest prostownik mostkowy, więc nie można tak po prostu poświęcić jednego kanału, aby zmierzyć napięcie z uzwojenia wtórnego transformatora obok innych przebiegów w zasilaczu.

Tak, jest problem, ale w oscyloskopie wielokanałowym możemy poświęcić dwa kanały i zmierzyć napięcie różnicowe „na wejściu” mostka prostowniczego, czyli napięcie na wyjściu transformatora. Wykorzystujemy dostępną w każdym oscyloskopie operację matematyczną A–B i właśnie ciemnoniebieski przebieg na ekranie jest wynikiem tej operacji matematycznej (jednej z czterech dostępnych w tym oscyloskopie), jak pokazują zielone strzałki.

Podkreślam, że wejścia MHO5056 mają wspólną masę, czego praktyczne „konsekwencje” widać na fotografii 3.

Fotografia 3

Dzięki 12-bitowym przetwornikom zawartym w oscyloskopie, pomiar różnicowy można też wykorzystać do badania niedużych przebiegów występujących na tle znacznego napięcia wspólnego. Jest to zaleta przetwarzania 12-bitowego, natomiast w oscyloskopach z 8-bitowymi przetwornikami ADC możliwość realizacji sensownych pomiarów różnicowych jest mocno ograniczona, o czym niestety przekonało się wielu elektroników.

12-bitowy przetwornik ADC ma też inną ważną zaletę: umożliwił tu uzyskanie niewiarygodnej maksymalnej czułości wejść, wynoszącej 100 μV/div! Tak, 0,1 miliwolta na działkę! Co prawda występują wtedy szumy, ale w przypadku przebiegów okresowych można je dziecinnie łatwo stłumić przez uśrednianie – averaging. Oscyloskop pozwala więc obserwować bardzo małe (powtarzalne) przebiegi. W prezentowanym układzie boczniki do pomiaru prądu mają po 0,1 oma, ale z powodzeniem można byłoby zastosować inne, o dużo mniejszej rezystancji. W każdym razie fotografia 1 przypomina o bardzo ważnym problemie.

Dlaczego potrzebujemy PFC?

Wszyscy wiemy cokolwiek o PFC (Power Factor Correction albo Power Factor Controller), ale większość z nas nie zagłębia się w to zagadnienie, dotyczące głównie zasilaczy o większej mocy. A tu widzimy korzenie problemu, z którego rodzi się PFC.

Ciemnoniebieska krzywa na fotografii 1 świadczy, że przebieg napięcia w sieci jest mocno odkształcony, a konkretnie ma spłaszczone wierzchołki. Przyczynę pokazuje jasnopomarańczowy przebieg z kanału 5, który jest spadkiem napięcia na rezystancji R_S1, czyli jest to przebieg prądu pobieranego z transformatora (i z sieci). Natomiast przebieg zielony, to przebieg napięcia na R_S3, czyli prąd wyjściowy zasilacza płynący przez obciążenie R_L. Z fotografii 1 można odczytać czułość w kanałach 5, 6 równą 20 mV/dz, co przy rezystancjach R_S równych 0,1 Ω daje 200 mA/ dz. Stąd można oszacować, że stały, „gładki” prąd wyjściowy ma wartość około 120...130 mA (zgadza się to z innymi danymi: fioletowa linia – kanał 3 – to dość gładki przebieg napięcia na kondensatorze filtrującym ok. 34 V, a rezystancja R_L to 270 omów).

Średnia wartość prądu pobieranego z transformatora oczywiście wynosi te 120...130 mA, ale jak pokazuje pomarańczowy przebieg, są to dość krótkie i dość silne impulsy o amplitudzie około 600 mA! I oczywiście to one powodują spłaszczanie wierzchołków przebiegu sieci. Dawniej problemem był tylko „kosinus fi”, czyli moc bierna, związana z wykorzystywaniem odbiorników o charakterze indukcyjnym. Wtedy przebieg napięcia w sieci był bliski sinusoidalnemu, podobnie jak przesunięty w czasie (faza) przebieg prądu.

Dziś przebieg prądu pobieranego z sieci przez ogromną większość sprzętu elektronicznego to impulsy mniej więcej takie, jak widać na fotografii 1. Do problemu „kosinusa fi” doszedł problem zniekształceń nieliniowych, czyli problem dużej ilości wyższych harmonicznych. A problem przesunięcia – fazy nadal istnieje, co też widać na fotografii 1.

Dlatego już dawno w Unii Europejskiej wprowadzono przepisy, nakazujące stosowanie obwodów czy układów PFC w urządzeniach elektronicznych (zasilaczach) o większej mocy. Obwodów lub układów, które spowodują, że prąd pobierany z sieci będzie bardziej przypominał sinusoidę, niż pomarańczowe impulsy z fotografii 1.

Zjawiska falowe wokół nas

Dawno, dawno temu z problemem zjawisk falowych, w tym odbić i niedopasowania, borykali się praktycznie tylko ci, którzy mieli do czynienia z techniką radiową. Postęp w technice cyfrowej spowodował, że dziś z problem zjawisk falowych mamy do czynienia przy przesyłaniu „szybkich” sygnałów cyfrowych. Ten artykuł nie jest wykładem na ten niełatwy i obszerny temat. Artykuł ma jedynie zaprezentować możliwości współczesnych oscyloskopów wielokanałowych.

Praktyczne potrzeby oczywiście będą bardzo różne, a przedstawiony tu przykład to prosty eksperyment o charakterze edukacyjnym. Na fotografii 4 za dość potężnym, 6-kanałowym MHO5056 z ekranem 10-calowym wstydliwie się chowa, skądinąd też dobry, DHO924S.

Fotografia 4

Na ekranie widzimy przebiegi z prostego „szybkiego” generatora impulsów w kilku punktach toru przesyłowego, składającego się z różnych kabli 50-omowych, dopasowanych i do generatora, i do obciążenia dołączonego za pomocą czerwonego, trzypozycyjnego przełącznika, a także włączonej w szereg cewki 6-zwojowej. Cewkę tę i jej wpływ pokazują jasnoniebieskie strzałki. Jest to więc też rodzaj reflektometru TDR (time-domain reflectometer). W przebiegach występujących w punktach „przed” cewką widać dość silne podbicie przebiegu, charakterystyczne dla lokalnego zwiększenia impedancji. Na fotografii 5 cewki tej już nie ma, ale jakaś nieduża nieciągłość o charakterze indukcyjnym nadal występuje w tym samym miejscu toru.

Fotografia 5

Fotografia 6 przedstawia kluczowe składniki głównego toru pomiarowego. Ten eksperyment ma związek z kursem Radiowej Oślej Łączki, prowadzonej w czasopiśmie Zrozumieć Elektronikę oraz na kanale YT.

Fotografia 6

Na fotografii 6 widać małą płytkę z „szybkim” generatorem impulsów prostokątnych o czasie narastania zboczy około 1 nanosekundy, z kostką z rodziny TTL (74AHC14). Rezystancja wyjściowa generatora wynosi 50 omów (rezystor włączony na wyjściu) i kanał 2 oscyloskopu pokazuje przebieg na wyjściu generatora. Dalej, za pomocą trójników BNC, dołączone są odcinki różnych kabli 50-omowych, a na samym końcu takiego toru jest przełącznik, który dołącza rezystancję dopasowania – rezystor 51 omów (który może też zewrzeć lub rozewrzeć koniec linii transmisyjnej).

Wszystkie wejścia oscyloskopu są ustawione nie jako 50-omowe, tylko wysokoimpedancyjne (1 MΩ). Do wejść 1 oraz 6 dołączone są 500-megahercowe sondy 10:1, dołączane jako standardowe wyposażenie oscyloskopu. Żółty przebieg z kanału 1 pokazuje sygnał na wyjściu kostki 74AHC14, „przed” wyjściowym rezystorem 50-omowym (oscylacje są zapewne spowodowane przez przewód masy – pigtail). Z kolei sonda w kanale 6 mierzy sygnał (zielony) na samym końcu toru, na rezystorze dopasowania 51 Ω. Na pozostałe wejścia podawane są sygnały z różnych punktów toru transmisyjnego. Widać, że kolejne sygnały są opóźnione i można taki układ wykorzystać jako TDR i na przykład mierzyć długość kabla, albo określać odległość od miejsca uszkodzenia.

Korekcja czasu

Jak najbardziej można! Jednak wnikliwa analiza fotografii 4 i 5 ukazuje pewne niekonsekwencje. Celem tego artykułu nie jest tłumaczenie wszystkich, skądinąd bardzo interesujących, szczegółów. Najprościej biorąc, wiarygodne wyniki uzyskamy tylko wtedy, gdy uwzględnimy rozmaite „systemowe” opóźnienia. Na górze fotografii 7 widać dwa przebiegi, które są mierzone w tym samym punkcie układu. Przebieg żółty to obraz z sondy 10:1, a przebieg niebieski to ten sam sygnał podany bezpośrednio na drugi kanał oscyloskopu.

Fotografia 7

Jak widać, sonda ogranicza pasmo, ale występuje też dziwne przesunięcie czasowe. Można je skorygować, ustawiając odpowiednią wartość parametru Skew w oknie konfiguracyjnym, co pokazuje fioletowa strzałka. Po takiej korekcji nie ma błędu opóźnienia – można bardzo dokładnie i precyzyjnie mierzyć zależności czasowe, a znając prędkość propagacji, także odległości.

Wiele wskazuje, że tak jak przechodziliśmy z oscyloskopów dwukanałowych na czterokanałowe, tak teraz zaczyna się czas na rozważenie kwestii zakupu oscyloskopu wielokanałowego. ©

Autor: Piotr Górecki