Zaloguj
W artykule opisano pozornie zwyczajny oscyloskop TBS1152B-EDU, który ma jednak pewną unikatową własność - możliwość uruchamiania specjalnie opracowanych kursów wykorzystywanych np. do nauki podstaw elektroniki, miernictwa itp. TBS1152B-EDU jest poza tym w pełni użytecznym oscyloskopem cyfrowym, który może być wykorzystywany do typowych zadań pomiarowych.
Charakterystyka oscyloskopu TBS1152B-EDU
Tabela 1. Najważniejsze dane techniczne oscyloskopu TBS1152B-EDU
TBS1152B-EDU to klasyczny oscyloskop DSO (Digital Storage Oscilloscope), charakteryzujący się względnie prostą budową i zasadą działania. Oscyloskop ten umożliwia wykonywanie typowych pomiarów urządzeń elektrycznych i elektronicznych. Pod względem funkcjonalnym można go porównać np. z cieszącym się dużą popularnością oscyloskopem TDS2022C.
Najważniejsze dane techniczne oscyloskopu TBS1152B-EDU zestawiono w tabeli 1. Do wstępnych porównań z innymi przyrządami wybierane są zwykle trzy parametry (w nawiasach podano dane dla TBS1152BEDU): pasmo analogowe (150 MHz), max. szybkość próbkowania (2 GSa/s) i długość rekordu (2,5 kpróbek). Stosunkowo mała długość rekordu akwizycji wynika z rozwiązań konstrukcyjnych przyjętych przez producenta dla przyrządów tej klasy.
Głównym powodem stosowania małego rekordu jest dążenie do jak największego skrócenia czasu martwego. Parametr ten w ogólnym przypadku zależny jest od czasu obróbki danych zapisanych w rekordzie akwizycji zanim zostaną one przepisane do pamięci wyświetlania.
Ponieważ jest to zależność proporcjonalna, oczywiste staje się, że im krótszy stosuje się rekord akwizycji, tym krótszy uzyskuje się czas martwy, a to z kolei zwiększa prawdopodobieństwo wykrywania krótkich, pojawiających się przypadkowo zakłóceń. Konsekwencją takiej koncepcji jest jednak niewielka ilość informacji o przebiegu gromadzona w jednym cyklu akwizycji, co utrudnia uzyskiwanie dużych powiększeń przebiegu za pomocą funkcji Zoom. Największe powiększenie oscylogramu w oscyloskopie TBS1152B-EDU jest równie 10 (rysunek 1).
Mocną stroną oscyloskopu TBS1152BEDU są pomiary automatyczne. Lista obejmuje 34 parametry (rysunek 2). Wyniki pomiarów niektórych parametrów są zależne od czasu (np. pomiar wartości średniej). Uwzględniono więc trzy warianty pomiarów, w których ograniczenia czasowe wyznaczone są: szerokością ekranu, położeniem kursorów lub wykrytą automatycznie długością okresu badanego przebiegu.
Rysunek 1. Powiększenie oscylogramu za pomocą funkcji Zoom |
Rysunek 2. Okna menu pomiarów automatycznych (34 parametry) |
Jeśli do obliczeń przyjęty jest czas odpowiadający szerokości ekranu, mogą wystąpić błędy wynikające na przykład z niemożliwości takiego doboru podstawy czasu, aby na ekranie mieściła się dokładnie pełna wielokrotność okresów badanego przebiegu. Przypadek taki przedstawiono na rysunku 3a. Wartości Mean i Cycle Mean różnią się dość znacznie.
Powodem tych różnic jest niecałkowita (dwa i pół) liczba okresów wyświetlanych na ekranie. Problemy występują również czasami z pomiarem Cycle Mean, co wynika z trudności wyznaczania długości okresu niektórych przebiegów. W takim przypadku, w okienku wyników Cycle Mean pojawia się znak zapytania (rys. 3b). Zdarza się też, że jest on dopisywany do wyniku liczbowego, który jednak prawdopodobnie nie jest wtedy prawidłowy (rys. 3c).
Oscyloskopy DSO zwykle nie mają zaawansowanych obliczeń matematycznych. W TBS1152B-EDU dostępne są 3 podstawowe operacje: dodawanie, odejmowanie i mnożenie kanałów oraz funkcja FFT. Widmo jest obliczane na podstawie 2048 próbek sygnału przy użyciu jednego z 3 okien: Hanning, Flat Top, Rectangular. Wykres widma zajmuje cały ekran, ale możliwe jest też włączenie podglądu sygnału w dziedzinie czasu. Przebieg jest wyświetlany w górnej części ekranu (rysunek 4a).
Rysunek 3. Wyniki pomiarów parametrów związanych z czasem: a) różnice wynikające z przyjętych przedziałów czasu wykonywania pomiarów, b) nieokreśloność wyniku wynikająca z niemożliwości wyznaczenia okresu przebiegu, c) sygnalizacja możliwego błędu pomiaru |
Rysunek 4. Pomiar widma z zastosowaniem funkcji FFT, a) z podglądem przebiegu, b) wyłączenie podglądu po uruchomieniu pomiarów kursorowych |
W tym trybie nie można jednak wykonywać pomiarów kursorowych. Jeśli były one wcześniej włączone, są widoczne, ale nie jest wyświetlane menu zawierające ich parametry. Włączenie tego menu powoduje zamknięcie okna podglądu przebiegu (rys. 4b). Położenie widma na ekranie wynika z wybranej podstawy czasu, powiększenia i przesunięcia wykresu. Analiza FFT jest inicjowana naciśnięciem dedykowanego przycisku FFT. Oprócz niego, w sekcji "Vertical" znajdują się jeszcze przyciski: Math - wywołujący obliczenia matematyczne i Ref - wyświetlający przebiegi referencyjne zapisane w pamięci Flash oscyloskopu.
W zależności od charakteru wykonywanych pomiarów użytkownik wybiera najbardziej odpowiedni do potrzeb tryb akwizycji i wyzwalania. W oscyloskopie TBS1152B-EDU zaimplementowano trzy tryby akwizycji: Sample, Peak Detect i Average oraz trzy typy wyzwalania: Edge, Video i Pulse. Możliwa jest ponadto praca w trybie XY (rysunek 5). Persystencja (sztuczna poświata) o czasach 1, 2, 5 sekund i nieskończona działa w obu trybach: XT i XY (rysunek 6).
Rysunek 5. Przykład pracy układu akwizycji w trybie XY |
Rysunek 6. Zastosowanie persystencji w pomiarach: a) w dziedzinie czasu, b) w dziedzinie częstotliwości |
Interesującym dla użytkownika dodatkiem do oscyloskopu jest wbudowana funkcja licznika (częstościomierza). Ten wirtualny przyrząd współpracuje z obydwoma kanałami pomiarowymi, wyświetlając wynik na 6-cyfrowym polu numerycznym (rysunek 7). Podczas pomiarów okazało się, że wewnętrzny prostokątny przebieg kalibracyjny ma częstotliwość 1,00637 kHz.
Zastosowania edukacyjne
Oscyloskop TBS1152B w wersji EDU może być wprawdzie wykorzystywany jako zwykły przyrząd pomiarowy, do typowych pomiarów laboratoryjnych, ale jego zasadniczym przeznaczeniem jest pomoc edukacyjna. Oprogramowanie firmowe zawiera specjalną procedurę obsługującą funkcje edukacyjne, czyli kursy. Jest ona uruchamiana przyciskiem Course, znajdującym się na płycie czołowej obok uniwersalnego pokrętła regulacyjnego.
Producent udostępnia kilka ćwiczeń zawierających najważniejsze zagadnienia metrologiczne, ale zajęcia mogą być opracowywane również samodzielnie przez nauczyciela. Wykorzystywane jest do tego specjalne, darmowe oprogramowanie "PC Courseware Editor". W wyniku jego działania generowane są pliki z kursami wpisywane następnie do pamięci oscyloskopu. Zobaczmy jak to działa.
Kursy uruchamiane na oscyloskopie
Naciśnięcie przycisku Course powoduje wyświetlenie ekranu z listą zawierającą tematy ćwiczeń zapisanych w pamięci oscyloskopu. Są one widoczne w prawej części ekranu w wielostronicowym menu obsługiwanym przyciskami przypisanymi do poszczególnych opcji (rysunek 8). Podświetlenie dowolnej opcji przez naciśnięcie odpowiedniego przycisku menu powoduje wyświetlenie w głównym oknie zestawu pomiarów wykonywanych w ramach danej tematyki.
Pomiary te są natomiast wybierane uniwersalnym pokrętłem regulacyjnym. Jego naciśnięcie powoduje przejście do ćwiczenia. W przykładzie pokazanym na rysunku 8 wybrano ćwiczenie z pomiarów czasowych ("Timing measurement") dotyczące określania czasu narastania i opadania zbocza ("RiseFallTimesMeas"). Uczniowie lub studenci zapoznają się na wstępie z ogólnymi informacjami dotyczącymi ćwiczenia. Są one wyświetlane po naciśnięciu przycisku Overview.
Rysunek 7. Pomiary z użyciem wirtualnego częstościomierza |
Rysunek 8. Okno wyboru kursu i ćwiczenia |
Na ekranie ukazuje się ogólne przedstawienie zagadnienia ("Objectives"), wymagane wyposażenie stanowiska pomiarowego ("Equipments") oraz skondensowana teoria związana z pomiarem, ilustrowana zdjęciami, rysunkami, tabelami, wykresami itp. (rysunek 9). Po zapoznaniu się z tymi informacjami uczniowie przystępują do ćwiczenia. Opis czynności jest wyświetlany po naciśnięciu przycisku Procedure.
I w tym przypadku może być on ilustrowany grafiką, np. schematem połączeń lub zdjęciem stanowiska pomiarowego pokazującym połączenia przyrządów (rysunek 10). Uczniowie/studenci dokumentują realizację kolejnych kroków ćwiczenia wykonując zrzuty ekranowe, ale wykorzystują do tego opcję menu "Data Collection". Dzięki temu pliki są zapisywane w specjalnie utworzonym dla danego kursu katalogu w pamięci Flash USB. Przy każdym zapisie trzeba określać ręcznie numer kroku, dla którego wykonywany jest zrzut ekranowy.
Ostatnim etapem ćwiczenia jest generowanie raportu z pomiarów, uruchamianego komendą "Reports". Tworzony jest wówczas specjalny dokument html, który może być przeglądany, np. przez nauczyciela, w przeglądarce internetowej (rysunek 11).
Edycja kursów
Tektronix opracował kilka gotowych do użycia kursów obejmujących najważniejsze zagadnienia związane z techniką pomiarów oscyloskopowych. Proponowane są ćwiczenia z zastosowaniem modułu Arduino, timera 555, wzmacniaczy operacyjnych, układów wykorzystujących mikrokontrolery MSP430 itp. Jak widać, oscyloskop TBS1152B-EDU z pewnością okaże się przydatny w procesie nauczania takich przedmiotów, jak: podstawy elektroniki, miernictwo elektroniczne, teoria obwodów, technika mikroprocesorowa itp.
Tematyka ćwiczeń może być dowolnie rozszerzana przez nauczyciela. Do przygotowywania kursów Tektronix udostępnia specjalny, darmowy program "Course Editor" (rysunek 12). Użytkownicy przygotowują w nim wszystkie informacje, które później wyświetlane są na ekranie oscyloskopu po naciśnięciu przycisku Course. Automatycznie tworzone są mechanizmy zbierania kolekcji danych i generowania raportu.
Rysunek 9. Fragment opisu ćwiczenia z wyświetloną na ekranie oscyloskopu grafiką |
Rysunek 10. Fragment opisu czynności wykonywanych podczas ćwiczenia z wyświetlonym zdjęciem stanowiska pomiarowego |
Prace edycyjne kończone są utworzeniem przestrzeni roboczej na dysku komputera, w której są zapisywane wszystkie pliki związane z danym kursem. Najważniejszym z nich jest plik kursu, który za pośrednictwem pendriva jest zapisywany do specjalnego obszaru pamięci oscyloskopu przeznaczonej na przechowywanie kursów (polecenie Utility->Update Course).
Poszczególne ćwiczenia mogą być wykorzystywane wielokrotnie w różnych kursach. Korzystne jest ponadto utworzenie pliku PDF zawierającego te same informacje, które są wyświetlane na ekranie oscyloskopu w trakcie ćwiczeń. Dysponując nim uczniowie mogą w domu przygotować się do zajęć.
Czy warto kształcić elektroników?
Tektronix wypuszcza na rynek oscyloskop o unikatowych cechach wykorzystywanych w edukacji młodych adeptów elektroniki. Dzieje się to w czasach, w których paradoksalnie, mimo burzliwego rozwoju tej dziedziny, odnotowuje się na świecie zmniejszanie się liczby inżynierów i konstruktorów uprawiających swój zawód w klasycznej formie.
Elektronika oscyluje w kierunku stosowania specjalizowanych układów scalonych, produkowanych w bardzo zaawansowanych technologiach, wymagających skomplikowanych linii montażowych. Coraz rzadziej urządzenia elektroniczne składane są z podstawowych układów elektronicznych (wzmacniaczy operacyjnych, bramek, przerzutników). Inaczej trzeba podchodzić do pomiarów urządzeń budowanych z gotowych bloków funkcjonalnych, inaczej do urządzeń składanych "na piechotę".
Rysunek 11. Przeglądanie raportu z pomiarów w przeglądarce internetowej |
Rysunek 12. Okno programu "Course Editor" |
Skoro jednak pomysł opracowania wersji edukacyjnej dla zwykłego oscyloskopu został zrealizowany w praktyce, i to przez takiego potentata, jakim jest Tektronix, należy sądzić, że jednak istnieje zapotrzebowanie na tego rodzaju urządzenia. Mimo wszystko specjaliści znający elektronikę od podstaw będą potrzebni zawsze, nawet wtedy, gdy wszyscy już zapomną, jak wygląda dyskretny tranzystor.
Można natomiast zastanawiać się czy oscyloskop w wersji EDU będzie konkurencją dla typowych zestawów edukacyjnych. Trudno jednak wyobrazić sobie, aby laboratorium, w którym odbywają się zajęcia edukacyjne związane z elektroniką nie było wyposażone w oscyloskop. Jeśli więc tego rodzaju sprzęt ma być wykorzystywany w laboratorium, to na pewno wersja edukacyjna może uatrakcyjnić zajęcia prowadzone z uczniami/studentami.
Jarosław Doliński, EP
