Як швидко вибрати цифровий осцилограф
Короткий вступ
На ринку цифрових осцилографів пропонується безліч серій від різних виробників, тому вибір навіть такого відомого кожному інженеру приладу стає непростим завданням. При цьому ретельне порівняння характеристик та можливостей моделей різних виробників може не дати відповіді на запитання: який осцилограф краще підійде для вирішення моїх завдань?
У цій статті, покладаючись на свій досвід роботи, ми розповімо про прості критерії вибору оптимального осцилографа, розглянемо типові застосування та запропонуємо для кожного типового завдання моделі осцилографів, вибравши які Ви зможете ефективно працювати та збережете свої гроші, час та нерви.
Критерії вибору осцилографа
Для початку, бажано визначитися з основними питаннями:
- у якому ціновому діапазоні будемо вибирати: до $1 000, $1 000 – $4 000, понад $4 000?
- яка максимальна частота вимірюваних сигналів: до 100 МГц, 100 – 500 МГц, 1 ГГц і більше?
- скільки необхідно основних аналогових каналів: 2, 4, 6 чи 8?
- чи потрібно виявляти імпульсні сигнали та події, що рідко виникають: гличі, перешкоди?
- чи працюєте з послідовними цифровими інтерфейсами (USB, I2C, SPI, UART, CAN, LIN та ін.)?
- чи працюєте з паралельними цифровими шинами (8, 16, 32 або 64 сигнали)?
- чи потрібно вимірювати частотні складові сигналів (гармоніки та ін.)?
Розглянемо кожен із них докладніше, оскільки це важливо задля правильного і обгрунтованого вибору.
Ціна питання
При виборі осцилографа перше питання, яке Вас, можливо, цікавить, – це вартість приладу. Вартість цифрових осцилографів залежить від багатьох параметрів, таких як смуга пропускання, частота дискретизації, число каналів, обсяг пам'яті, вбудований аналіз протоколів і т.д.
Якщо при виборі осцилографа, ви орієнтуватиметеся тільки на його ціну, то ви, можливо, не будете задоволені його іншими параметрами. Навпаки, подумайте про цінність приладу, виходячи з його характеристик та можливостей. Хороший прилад дозволяє швидко та якісно виконувати роботу, а це економить час, нерви та гроші.
У діапазоні до $1 000 в основному пропонуються економ-моделі зі смугою пропускання 25 – 70 МГц, а також різні USB осцилографи та Bluetooth приставки, які для відображення сигналу використовують екран комп'ютера, планшета чи смартфона. Але є й повноцінні "класичні" прилади. Якщо ви хочете купити оптимальний осцилограф із ціною до $1 000, обов'язково подивіться економ-серію Tektronix TBS1000B.
У діапазоні від $1 000 до $4 000 знаходиться більшість цікавих моделей зі смугою 100 – 200 МГц і розширеним функціоналом аналізу аналогових та цифрових сигналів. Типові представники цього цінового діапазону: настільні осцилографи змішаних сигналів MSO2000 та DPO2000 та осцилографи, у яких є тільки аналогові канали TBS2000B. А найдешевша серія в цьому ціновому діапазоні – це USB осцилографи PicoScope 3000D.
У діапазоні понад $4 000 випускаються осцилографи для серйозної розробки та проведення складних ремонтів. Смуга пропускання таких осцилографів, як правило, 300 МГц і більше, є можливість аналізу цифрових сигналів (зазвичай 16 каналів), може бути окремий вхід аналізатора спектра для вичерпного аналізу частотної області, а також безліч додаткових опцій, що полегшують роботу. Типові представники цього діапазону: класична серія MDO3 та USB серія PicoScope 6000E.
Серії осцилографів, які відносяться до дорогих, професійних рішень, починаються з лінійки MDO4000C з ціною від $8 000, включають три нові серії (MSO4, MSO5, MSO6) і закінчуються топової серією DPO/MSO70000 з максимальними характеристиками (смуга до 33 ГГц) і ціною від $40 000. Завдяки своїм унікальним можливостям ці осцилографи чудово впишуться у вимірювальну лабораторію, що працює над великими проектами.
Смуга пропускання осцилографа
Смуга пропускання осцилографа має бути трохи вищою ніж максимальна частота аналогових сигналів, які планується вимірювати. Наприклад, якщо максимальна частота аналогових сигналів дорівнює 70 МГц, краще вибрати модель осцилографа зі смугою 100 МГц. Для коректної роботи з цифровими (прямокутними) сигналами необхідно, щоб запас по смузі пропускання був значно вищим. Якщо Ви хочете дивитися форму тактового (прямокутного) сигналу 70 МГц, осцилографа зі смугою 100 МГц буде недостатньо. Для зручної роботи з цифровими сигналами краще вибрати осцилограф із опцією логічного аналізатора. Ось приклад такої опції: логічний аналізатор на 16 каналів
Звичайно, завжди хочеться, щоб осцилограф мав якомога ширшу смугу пропускання, але зі збільшенням смуги відразу суттєво зростає ціна приладу. Хороший осцилограф із смугою 200 МГц коштує близько $2 000, а зі смугою 1 ГГц близько $10 000. Отже, у цьому питанні важливий здоровий компроміс.
По лінії пропускання цифрові осцилографи дуже умовно можна розділити втричі категорії: початковий рівень (100 МГц і від), середній рівень (200 МГц і 350 МГц) і професійний рівень (500 МГц та вище). Через постійний розвиток технологій кордон між цими рівнями поступово зміщується. Незабаром моделі зі смугою 200 МГц перейдуть у категорію початкового рівня.
Треба розуміти, що, маючи однакову смугу, моделі різних серій можуть сильно відрізнятися за набором своїх можливостей та вартості. Це добре видно на прикладі нового огляду 18-ти осцилографів 500 МГц, в якому порівнюються ключові особливості кожної серії та ціни всіх моделей.
Кількість основних каналів
Сучасні осцилографи випускаються з 2 чи 4 основними каналами. Економ-моделі містять 2 канали, хороші серії 2 або 4 канали, а дорогі професійні осцилографи завжди містять 4 або більше каналів. У середньому, ціна 4-х канальної моделі в 1,5 рази вища за аналогічну 2-х канальну, а ціна 6-ти канальну (наприклад MSO46) на 20% вище за аналогічну 4-х канальну (наприклад MSO44). Так що в цьому питанні вибір залежить від запланованої суми та сфери застосування осцилографа. Є завдання, де 2-х канальна модель не підійде, наприклад, робота з трифазними енергетичними мережами або багатоканальними аудіосистемами.
Зауважте, що деякі серії осцилографів дозволяють пізніше виконати апгрейд (збільшення) смуги пропускання за допомогою покупки цифрового ключа. При цьому сам пристрій нікуди відправляти не треба: код розблокування вводиться в меню осцилографа. А ось додати два додаткові канали в 2-х канальний осцилограф так легко не вийде. Тобто якщо плануєте дооснащувати свій осцилограф у майбутньому, то краще купити 4-х канальну модель, а пізніше розширити смугу за допомогою коду активації.
Також варто окремо згадати нову серію багатоканальних осцилографів Tektronix MSO5. Ця серія включає моделі з чотирма, шістьма і вісьмома каналами, кожен з яких може служити як аналоговий канал або як 8 цифрових каналів. Перехід з аналогових каналів на цифрові виконується простою заміною пробника прямо під час роботи.
З восьмиканальних моделей, що з'явилися після 2020 року, дуже цікавою і перспективною є серія PicoScope 6000E компанії Pico Technology. Ця серія включає осцилографи зі смугою 500 МГц та частотою дискретизації до 5 Гвиб/с. Розрядність вбудованих АЦП змінюється не більше від 8 до 12 біт.
Виявлення подій, що рідко виникають
Звичайний недорогий осцилограф добре справляється з періодичними сигналами (які постійно присутні), але при розробці або ремонті радіоелектронного обладнання дуже часто треба виявити подію, що рідко виникає: збій тактового сигналу, імпульсну перешкоду або випадковий стрибок напруги. А це зовсім не просте завдання для осцилографа.
В описах осцилографів, які добре працюють з рідкісними та короткими подіями (менше 1 мс) повинна бути характеристика: швидкість безперервного захоплення осцилограм. Бажано, щоб це значення було не менше 5 000 осцилограм на секунду. Це означає, що осцилограф реально вимірює та аналізує сигнал 5 000 разів на секунду і якщо хоч раз зустрінеться аномальна подія, то вона буде виявлена та показана.
Також у виявленні коротких аномалій дуже допомагає функція цифрового люмінофора (посвічення). Ця функція відображає події, що рідко виникають, іншим кольором і їх дуже добре видно на осцилограмі. Подробиці читайте в окремій статті: опис технології DPO.
Декодування та аналіз послідовних протоколів
Багато електронних пристроїв містять одну або кілька послідовних шин передачі (Serial Buses). Така послідовна шина є інтерфейс обміну даними за певним протоколом. Відмінною особливістю послідовних шин є небагато необхідних її роботи провідників (зазвичай 2, 3 чи 4 шт., іноді більше).
Наприклад, за допомогою послідовних інтерфейсів I2C і SPI до мікроконтролерів підключаються різні периферійні мікросхеми: датчики, АЦП, ЦАП, інтерфейсні модулі та ін. Для передачі звуку в цифровій формі використовуються шини I2S, LJ, RJ або TDM. В автомобілі всі пристрої спілкуються за допомогою єдиної послідовної шини типу CAN або LIN. В авіакосмічній промисловості широко поширений послідовний комунікаційний інтерфейс MIL-STD-1553.
Більшість сучасних осцилографів (за наявності відповідних опцій) дозволяють на льоту декодувати сигнали послідовних шин, автоматично виконуючи пошук необхідних даних чи певних умов. При виявленні заданої події такий осцилограф може зробити запис і збереження всіх сигналів у пам'ять для детального аналізу. Це дуже потужна та корисна функція.
Зверніть увагу, що опції декодування послідовних протоколів можуть входити до стандартної комплектації (як у осцилографів компанії Pico Technology), а можуть продаватися у вигляді додаткових опцій (як у осцилографів компанії Tektronix).
Як приклад, на цьому скріншоті осцилографа серії MDO3000 показаний результат запуску запису за конкретним пакетом даних, що передається по послідовній шині I2C. Жовта осцилограма є сигналом тактової частоти (CLK) шини I2C, а синя – її дані (DATA). Осцилограф виконав декодування вмісту пакета, включаючи Старт, Адреса, Читання/Запис, Дані та Стоп.
Логічний аналізатор для паралельних цифрових шин
Паралельні цифрові шини (Parallel Digital Buses) повсюдно використовуються для швидкісного обміну даними між мікропроцесорами, пам'яттю, програмованими логічними матрицями (ПЛІС, FPGA) та швидкими АЦП/ЦАП. Залежно від типу, паралельні шини можуть містити 8, 16, 32 або 64 цифрових сигналів. Найчастіше у вбудованих системах (Embedded Systems) використовуються 8-ми та 16-ти канальні шини, але також зустрічаються 32-х та 64-х канальні, а в деяких розробках число цифрових каналів може суттєво перевищувати 64 шт.
Оскільки паралельні цифрові шини дуже поширені, хороші моделі осцилографів можуть бути оснащені опцією логічного аналізатора з можливістю декодування та аналізу цифрової інформації. Як правило, цей логічний аналізатор підтримує 16 цифрових сигналів і фізично виконаний у вигляді спеціального цифрового пробника, який підключається до роз'єму на передній панелі осцилографа. Саме так ця функція реалізована в осцилографах серій MDO3, MDO3000 і MDO4000C, в яких логічний аналізатор на 16 каналів додається за допомогою цифрового пробника P6316 або P6616, а також серії PicoScope 6000E, в якій логічний аналізатор на 8 або 16 каналів додається за допомогою цифрових пробників TA369.
Як приклад, на цій фотографії показаний осцилограф Tektronix MDO34 (серії MDO3) з двома аналоговими пробниками (ліворуч) та 16-ти канальним цифровим пробником P6316 (праворуч). Якщо натиснути на цю фотографію, відкриється збільшене зображення, на якому можна добре розглянути всі деталі пробника і екрана приладу. Докладніше про функцію 16-ти канального логічного аналізатора читайте тут.
Зовсім інший підхід до реалізації вбудованого логічного аналізатора використовується в нових серіях осцилографів MSO4, MSO5 і MSO6. Кожен канал цих осцилографів може працювати як один аналоговий канал або як вісім цифрових каналів. Якщо Ви підключаєте будь-який стандартний пробник (пасивний, активний, струмовий тощо), то канал працює як аналоговий, а якщо Ви підключаєте спеціальний цифровий пробник TLP058, то канал починає працювати як вісім цифрових.
Завдяки цій інноваційній технології, яка називається FlexChannel, Ви можете прямо в процесі роботи додавати необхідну кількість цифрових каналів: до 32 штук у 4-х канальних моделей осцилографів, до 48 штук у 6-ти канальних і до 64-х штук у 8-ми канальних. Ця функція дуже корисна при розробці та налагодженні складних багатоканальних цифро-аналогових систем. Докладніше про технологію FlexChannel читайте тут. Як все це працює, дивіться в цьому відео на прикладі восьмиканального осцилографа серії Tektronix MSO5.
Вимірювання частотних складових сигналу
Практично у всіх сучасних осцилографах є функція ШПФ (швидкого перетворення Фур'є), яка дозволяє показати вхідний сигнал у частотній області. Функція ШПФ підходить тільки для поверхневого аналізу сигналу, оскільки у неї є три істотні недоліки: дуже мала чутливість (працює з сигналами великої амплітуди і не підходить для більшості радіочастотних сигналів), як правило, не можна дивитися сам сигнал якщо включено БПФ, екран оновлюється повільно.
Тому для повноцінного аналізу радіоелектронних схем та обладнання в частотній області використовують окремі аналізатори спектру. Деякі серії осцилографів містять вбудований повноцінний аналізатор спектру, при цьому сигнал для аналізу подається на окремий вхід приладу. Приклади таких осцилографів із вбудованим аналізатором спектру: MDO3000, MDO4000C та нова серія MDO3.
Пробники та аксесуари
Навіть найдосконаліші прилади не можуть забезпечити точний результат, якщо надані на них дані мають велику похибку. Пробники у поєднанні з осцилографом є єдиною вимірювальною системою. Похибка виміру починає накопичуватися від наконечника пробника. Тому важливо правильно підібрати пробники, щоб вони були узгоджені з осцилографом та досліджуваним пристроєм. Якісні та грамотно підібрані пробники мінімально спотворюють досліджуваний сигнал та сприяють високій точності вимірювань.
Існує кілька основних типів пробників. Кожен тип добре підходить для свого виду вимірів:
- пасивні пробники
- активні пробники
- диференціальні пробники
- високовольтні пробники
- струмові пробники
- гальванічно ізольовані пробники
На цій фотографії показані типові представники кожної із шести категорій пробників. Крім цих основних категорій також існують пробники для спеціальних завдань, наприклад, для вимірювання шуму та пульсацій на шинах живлення електронних пристроїв. Детальний посібник із вибору пробників (всього близько 100 моделей усіх типів) знаходиться нижче на цій сторінці в розділі Додаткова інформація.
Типові застосування осцилографів
Тепер, коли ми розібралися з основними критеріями вибору, розглянемо типові завдання застосування осцилографів і моделі приладів, що підходять для цих завдань.
Основний осцилограф для лабораторії
Для більшості типових завдань, що виникають при розробці або ремонті електронної апаратури відмінно підходить серія Tektronix MSO/DPO2000В (100 - 200 МГц, 2 або 4 канали, $1 000 - $4 000), яка створювалася як основний осцилограф, здатний вирішувати 90% питань у діапазоні до 200 МГц:
Для більш складних завдань або для покупки на перспективу вибирайте серію Tektronix MDO3 (100 МГц – 1 ГГц, 2 або 4 канали, $4 000 – $15 000), яка підтримує велику кількість опцій розширення, містить вбудований аналізатор спектру та дозволяє, за необхідності, розширити смугу пропускання за допомогою коду активації:
Розробка багатоканальних аналого-цифрових пристроїв
Для складних систем, що містять багато різних аналогових та цифрових сигналів, вибирайте серію Tektronix MSO5 (350 МГц - 2 ГГц, 4, 6 або 8 аналогових каналів, до 64 цифрових каналів, від $15 000):
або серію професійних USB осцилографів Pico Technology PicoScope 6000E (до 500 МГц, до 8 аналогових каналів, до 16 цифрових каналів, від $5 000):
Для аналого-цифрових систем простіших, а також для систем перетворення та передачі електроенергії, добре підійде серія Tektronix MSO4 (200 МГц - 1,5 ГГц, 4 або 6 аналогових каналів, до 48 цифрових каналів, від $8 000):
Для аналого-цифрових систем початкового рівня оптимальними є: USB серія Pico Technology PicoScope 3000D (50 - 200 МГц, 2 або 4 аналогових канали + 16 цифрових, $600 - $2 500) і настільна серія Tektronix MSO/DPO2000В, яка (100 - 200 МГц, 2 або 4 аналогові канали + 16 цифрових, $1 000 - $4 000):
Професійний осцилограф для дуже складних завдань
Коли важливі максимальні можливості аналізу аналогових та цифрових сигналів зі смугою до 1 ГГц та одночасний аналіз радіочастотних сигналів у діапазоні до 6 ГГц, вибирайте серію Tektronix MDO4000C (4 аналогових канали до 1 ГГц та 16 цифрових каналів, спектроаналізатор до 6 ГГц, $8 0 000):
У частотному діапазоні декількох гігагерц оптимальною є серія Tektronix MSO6, у якої розширені можливості аналізу сигналів поєднуються з малошумливими вхідними трактами і точним оцифруванням 12-розрядними АЦП (4 аналогових канали до 8 ГГц, до 32 цифрових каналів, від $20 000):
Якщо частоти сигналів, з якими треба працювати, становлять гігагерці та десятки гігагерц, то Вам потрібна серія Tektronix MSO/DPO70000 (4 – 33 ГГц, 4 канали, від $40 000):
Осцилограф з ізольованими (незалежними) входами для енергетики та високої напруги
При роботі з високою напругою (наприклад, силовими енергомережами), а також при роботі з гальванічно ізольованими вузлами апаратури (опторозв'язки, трансформатори, електрично ізольовані датчики та системи збору сигналів) потрібно використовувати осцилограф, у якого кожен канал є незалежним та ізольованим від інших каналів та мережі харчування самого осцилографа. Для цього завдання пропонується спеціальна серія: Tektronix TPS2000B (100 - 200 МГц, 2 або 4 канали, $4 000 - $6 000):
Максимально дешевий осцилограф, але якісний та функціональний
У діапазоні до $1 000 пропонується три серії:
1. Економ-серії в USB виконанні: PicoScope 2000A і 2000B (10 – 100 МГц, 2 та 4 канали).
2. Економ-серія у класичному корпусі: Tektronix TBS1000B (30 – 200 МГц, 2 канали).
3. Серія для освітніх закладів: Tektronix TBS1000B-EDU (50 – 200 МГц, 2 канали).
Додаткова інформація на цю тему
Ми спеціально не перевантажували цю статтю технічними деталями пристрою осцилографів та докладним описом їх опцій. Все це Ви можете прочитати на сторінках окремих серій осцилографів. Але для тих, хто хоче максимально розібратися у питанні, рекомендуємо ознайомитись із цією інформацією:
12 критеріїв вибору оптимального осцилографа (російською) (30 стор.; 7 МБ)
Підручник за основними принципами вимірювань за допомогою осцилографів (російською) (60 стор.; 2 МБ)
Посібник з вибору пробників для осцилографів Tektronix (англійською) (18 стор.; 2 МБ)
Технологія цифрового люмінофора DPO в осцилографах – принцип роботи, приклади застосування
Порівняння та вибір осцилографів зі смугою пропускання 500 МГц
Для спрощення процесу вибору цифрового осцилографа Ви можете скористатися нашим досвідом та рекомендаціями. У нас більше 20 років практичного досвіду поставок і ми відразу зможемо відповісти на багато питань щодо моделей, опцій, термінів поставки, цін та знижок. Це збереже Ваш час та гроші. Для цього просто зателефонуйте нам або напишіть нам по E-mail і ми з радістю відповімо на Ваші запитання.