Как быстро выбрать цифровой осциллограф

Как быстро выбрать осциллограф: критерии выбора, типовые применения и популярные модели

Краткое вступление

На рынке цифровых осциллографов предлагается множество серий от различных производителей, поэтому выбор даже такого известного каждому инженеру прибора становится непростой задачей. При этом тщательное сравнение характеристик и возможностей моделей различных производителей может не дать ответа на вопрос: какой осциллограф лучше подойдет для решения моих задач?

В этой статье, полагаясь на свой опыт работы, мы расскажем о простых критериях выбора оптимального осциллографа, рассмотрим типовые применения и предложим для каждой типовой задачи модели осциллографов, выбрав которые Вы сможете эффективно работать и сбережете свои деньги, время и нервы.

Критерии выбора осциллографа

Для начала, желательно определиться с основными вопросами:
- в каком ценовом диапазоне будем выбирать: до $1 000, $1 000 – $4 000, более $4 000?
- какая максимальная частота измеряемых сигналов: до 100 МГц, 100 – 500 МГц, 1 ГГц и более?
- сколько необходимо основных аналоговых каналов: 2, 4, 6 или 8?
- нужно ли обнаруживать импульсные сигналы и редко возникающие события: гличи, помехи?
- работаете ли с последовательными цифровыми интерфейсами (USB, I2C, SPI, UART, CAN, LIN и др.)?
- работаете ли с параллельными цифровыми шинами (8, 16, 32 или 64 сигнала)?
- нужно ли измерять частотные составляющие сигналов (гармоники и пр.)?

Рассмотрим каждый из них подробнее, так как это важно для правильного и обоснованного выбора.

Цена вопроса

При выборе осциллографа первый вопрос, который Вас, возможно, интересует – это стоимость прибора. Стоимость цифровых осциллографов зависит от многих параметров, таких как: полоса пропускания, частота дискретизации, число каналов, объем памяти, встроенный анализ протоколов и т.д.

Если при выборе осциллографа, вы будете ориентироваться только на его цену, то вы, возможно, не будете удовлетворены его остальными параметрами. Наоборот, подумайте о ценности прибора, исходя из его характеристик и возможностей. Хороший прибор позволяет быстро и качественно выполнять работу, а это экономит время, нервы и деньги.

В диапазоне до $1 000 в основном предлагаются эконом-модели с полосой пропускания 25 – 70 МГц, а также различные USB осциллографы и Bluetooth приставки, которые для отображения сигнала используют экран компьютера, планшета или смартфона. Но есть и полноценные "классические" приборы. Если вы хотите купить оптимальный осциллограф с ценой до $1 000, обязательно посмотрите эконом-серию Tektronix TBS1000B.

В диапазоне от $1 000 до $4 000 находится большинство интересных моделей с полосой 100 – 200 МГц и расширенным функционалом анализа аналоговых и цифровых сигналов. Типичные представители этого ценового диапазона: настольные осциллографы смешанных сигналов MSO2000 и DPO2000 и осциллографы, у которых есть только аналоговые каналы TBS2000B. А самая дешёвая серия в этом ценовом диапазоне – это USB осциллографы PicoScope 3000D.

В диапазоне более $4 000 выпускаются осциллографы для серьёзной разработки и проведения сложных ремонтов. Полоса пропускания таких осциллографов, как правило, 300 МГц и более, есть возможность анализа цифровых сигналов (обычно 16 каналов), может присутствовать отдельный вход анализатора спектра для исчерпывающего анализа в частотной области, а также множество дополнительных опций, облегчающих работу. Типичные представители этого диапазона: классическая серия MDO3 и USB серия PicoScope 6000E.

Серии осциллографов, которые относятся к дорогим, профессиональным решениям, начинаются с линейки MDO4000C с ценой от $8 000, включают три новые серии (MSO4, MSO5, MSO6) и заканчиваются топовой серией DPO/MSO70000 с максимальными характеристиками (полоса до 33 ГГц) и ценой от $40 000. Благодаря своим уникальным возможностям, эти осциллографы великолепно впишутся в измерительную лабораторию, работающую над крупными проектами.

Полоса пропускания осциллографа

Полоса пропускания осциллографа должна быть немного выше чем максимальная частота аналоговых сигналов, которые планируется измерять. К примеру, если максимальная частота аналоговых сигналов равна 70 МГц, то лучше выбрать модель осциллографа с полосой 100 МГц. Для корректной работы с цифровыми (прямоугольными) сигналами, необходимо чтобы запас по полосе пропускания был значительно выше. Если Вы хотите смотреть форму тактового (прямоугольного) сигнала 70 МГц, то осциллографа с полосой 100 МГц будет недостаточно. Для комфортной работы с цифровыми сигналами лучше выбрать осциллограф с опцией логического анализатора. Вот пример такой опции: логический анализатор на 16 каналов

Конечно, всегда хочется, чтобы осциллограф имел как можно более широкую полосу пропускания, но с увеличением полосы сразу существенно возрастает цена прибора. Хороший осциллограф с полосой 200 МГц стоит около $2 000, а с полосой 1 ГГц около $10 000. Так что в этом вопросе важен здоровый компромисс.

Что такое полоса пропускания осциллографа
Что такое полоса пропускания осциллографа.

По полосе пропускания цифровые осциллографы очень условно можно разделить на три категории: начальный уровень (100 МГц и ниже), средний уровень (200 МГц и 350 МГц) и профессиональный уровень (500 МГц и выше). Из-за постоянного развития технологий граница между этими уровнями постепенно смещается. Очень скоро модели с полосой 200 МГц перейдут в категорию начального уровня.

Надо понимать что, имея одинаковую полосу, модели разных серий могут сильно отличаться по набору своих возможностей и стоимости. Это хорошо видно на примере нового обзора 18-ти осциллографов 500 МГц, в котором сравниваются ключевые особенности каждой серии и цены всех моделей.

Количество основных каналов

Современные осциллографы выпускаются с 2 или 4 основными каналами. Эконом-модели содержат 2 канала, хорошие серии 2 или 4 канала, а дорогие профессиональные осциллографы всегда содержат 4 или более каналов. В среднем, цена 4-х канальной модели в 1,5 раза выше аналогичной 2-х канальной, а цена 6-ти канальной (например MSO46) на 20% выше аналогичной 4-х канальной (например MSO44). Так что в этом вопросе выбор зависит от запланированной суммы и области применения осциллографа. Есть задачи, где 2-х канальная модель не подойдёт, например работа с трёхфазными энергетическими сетями или многоканальными аудиосистемами.

Обратите внимание, что некоторые серии осциллографов позволяют позже выполнить апгрейд (увеличение) полосы пропускания с помощью покупки цифрового ключа. При этом сам прибор никуда отправлять не надо: код разблокировки вводится в меню осциллографа. А вот добавить два дополнительных канала в 2-х канальный осциллограф так легко не получится. То есть, если планируете дооснащать свой осциллограф в будущем, то лучше купить 4-х канальную модель, а позже расширить полосу с помощью кода активации.

Также стоит отдельно упомянуть новую серию многоканальных осциллографов Tektronix MSO5. Эта серия включает модели с четырьмя, шестью и восемью каналами, каждый из которых может служить в качестве аналогового канала либо в качестве 8-ми цифровых каналов. Переход с аналоговых каналов на цифровые выполняется простой заменой пробника, прямо во время работы.

Некоторые модели осциллографов содержат до 8-ми каналов
Некоторые модели осциллографов содержат до 8-ми каналов.

Из восьмиканальных моделей, появившихся после 2020 года очень интересной и перспективной является серия PicoScope 6000E компании Pico Technology. Эта серия включает осциллографы с полосой 500 МГц и частотой дискретизации до 5 Гвыб/с. Разрядность встроенных АЦП изменяется в пределах от 8 до 12 бит.

Обнаружение редко возникающих событий

Обычный недорогой осциллограф хорошо справляется с периодическими сигналами (которые постоянно присутствуют), но при разработке или ремонте радиоэлектронного оборудования очень часто надо обнаружить редко возникающее событие: сбой тактового сигнала, импульсную помеху или случайный скачок напряжения. А это совсем не простая задача для осциллографа.

В описаниях осциллографов, которые хорошо работают с редкими и короткими событиями (менее 1 мс) должна присутствовать характеристика: скорость непрерывного захвата осциллограмм. Желательно, чтобы это значение было не менее 5 000 осциллограмм в секунду. Это означает что осциллограф реально измеряет и анализирует сигнал 5 000 раз в секунду и если хоть раз встретится аномальное событие, то оно будет обнаружено и показано.

Также в обнаружении коротких аномалий очень помогает функция цифрового люминофора (послесвечения). Эта функция отображает редко возникающие события другим цветом и их очень хорошо видно на осциллограмме. Подробности читайте в отдельной статье: описание технологии DPO.

Обнаружение и выделение цветом редко возникающих событий
Обнаружение и выделение цветом редко возникающих событий.

Декодирование и анализ последовательных протоколов

Многие электронные устройства содержит одну или несколько последовательных шин передачи данных (Serial Buses). Такая последовательная шина представляет собой интерфейс обмена данными по определённому протоколу. Отличительной особенностью последовательных шин является небольшое количество необходимых для её работы проводников (обычно 2, 3 или 4 шт., иногда больше).

Например, с помощью последовательных интерфейсов I2C и SPI к микроконтроллерам подключаются всевозможные периферийные микросхемы: датчики, АЦП, ЦАП, интерфейсные модули и пр. Для передачи звука в цифровой форме используются шины I2S, LJ, RJ или TDM. В автомобиле все устройства общаются с помощью единой последовательной шины типа CAN или LIN. В авиакосмической промышленности широко распространён последовательный коммуникационный интерфейс MIL-STD-1553.

Большинство современных осциллографов (при наличии соответствующих опций) позволяют на лету декодировать сигналы последовательных шин, автоматически выполняя поиск необходимых данных или определённых условий. При обнаружении заданного события, такой осциллограф может произвести запись и сохранение всех сигналов в память для подробного анализа. Это очень мощная и полезная функция.

Обратите внимание, что опции декодирования последовательных протоколов могут входить в стандартную комплектацию (как у осциллографов компании Pico Technology), а могут продаваться в виде дополнительных опций (как у осциллографов компании Tektronix).

В качестве примера, на этом скриншоте осциллографа серии MDO3000 показан результат запуска записи по конкретному пакету данных, передаваемому по последовательной шине I2C. Жёлтая осциллограмма представляет собой сигнал тактовой частоты (CLK) шины I2C, а синяя – её данные (DATA). Осциллограф выполнил декодирование содержимого пакета, включая Старт, Адрес, Чтение/Запись, Данные и Стоп.

Автоматическое декодирование осциллографом Tektronix MDO3000 пакета данных, передаваемого по последовательной шине I2C
Автоматическое декодирование пакета данных, передаваемого по последовательной шине I2C.

Логический анализатор для параллельных цифровых шин

Параллельные цифровые шины (Parallel Digital Buses) повсеместно используются для скоростного обмена данными между микропроцессорами, памятью, программируемыми логическими матрицами (ПЛИС, FPGA) и быстрыми АЦП/ЦАП. В зависимости от типа, параллельные шины могут содержать 8, 16, 32 или 64 цифровых сигналов. Чаще всего во встроенных системах (Embedded Systems) используются 8-ми и 16-ти канальные шины, но также встречаются 32-х и 64-х канальные, а в некоторых разработках число цифровых каналов может существенно превышать 64 шт.

Поскольку параллельные цифровые шины очень распространены, хорошие модели осциллографов могут быть оснащены опцией логического анализатора с возможностью декодирования и анализа цифровой информации. Как правило, этот логический анализатор поддерживает 16 цифровых сигналов и физически выполнен в виде специального цифрового пробника, который подключается к отдельному разъёму на передней панели осциллографа. Именно так эта функция реализована в осциллографах серий MDO3, MDO3000 и MDO4000C, в которых логический анализатор на 16 каналов добавляется с помощью цифрового пробника P6316 или P6616, а также в серии PicoScope 6000E, в которой логический анализатор на 8 или 16 каналов добавляется с помощью цифровых пробников TA369.

В качестве примера, на этой фотографии показан осциллограф Tektronix MDO34 (серии MDO3) с двумя аналоговыми пробниками (слева) и 16-ти канальным цифровым пробником P6316 (справа). Если нажать на эту фотографию, то откроется увеличенное изображение, на котором можно хорошо рассмотреть все детали пробника и экрана прибора. Подробнее про функцию 16-ти канального логического анализатора читайте здесь.

Осциллограф Tektronix MDO34 с 16-ти канальным пробником P6316 встроенного логического анализатора
Осциллограф Tektronix MDO34 с 16-ти канальным пробником P6316 логического анализатора.

Совершенно другой подход к реализации встроенного логического анализатора используется в новых сериях осциллографов MSO4, MSO5 и MSO6. Каждый канал этих осциллографов может работать как один аналоговый канал или как восемь цифровых каналов. Если Вы подключаете любой стандартный пробник (пассивный, активный, токовый и т.д.), то канал работает как аналоговый, а если Вы подключаете специальный цифровой пробник TLP058, то канал начинает работать как восемь цифровых.

Благодаря этой инновационной технологии, которая называется FlexChannel, Вы можете прямо в процессе работы добавлять необходимое количество цифровых каналов: до 32 штук у 4-х канальных моделей осциллографов, до 48 штук у 6-ти канальных и до 64-х штук у 8-ми канальных. Эта функция очень полезна при разработке и отладке сложных многоканальных цифро-аналоговых систем. Подробнее про технологию FlexChannel читайте здесь. Как всё это работает, смотрите в этом видеосюжете на примере восьмиканального осциллографа серии Tektronix MSO5.

Логический анализатор от 8 до 64 цифровых каналов на базе технологии FlexChannel.

Измерение частотных составляющих сигнала

Практически во всех современных осциллографах присутствует функция БПФ (быстрого преобразования Фурье), которая позволяет показать входной сигнал в частотной области. Функция БПФ подходит только для поверхностного анализа сигнала так как у неё есть три существенных недостатка: очень малая чувствительность (работает с сигналами большой амплитуды и не подходит для большинства радиочастотных сигналов), как правило нельзя смотреть сам сигнал если включено БПФ, экран обновляется медленно.

Поэтому для полноценного анализа радиоэлектронных схем и оборудования в частотной области используют отдельные анализаторы спектра. Некоторые серии осциллографов содержат полноценный встроенный анализатор спектра, при этом сигнал для анализа подаётся на отдельный вход прибора. Примеры таких осциллографов со встроенным анализатором спектра: MDO3000, MDO4000C и новая серия MDO3.

Четыре основных канала осциллографа Tektronix MDO3000 плюс пятый радиочастотный канал для анализа спектра (на рисунке самый правый из пяти)
Четыре основных канала осциллографа MDO3000 плюс пятый радиочастотный канал для анализа спектра (на рисунке самый правый из пяти).

Пробники и аксессуары

Даже самые совершенные приборы не могут обеспечить точный результат, если поступающие на них данные имеют большую погрешность. Пробники в сочетании с осциллографом представляют собой единую измерительную систему. Погрешность измерения начинает накапливаться от наконечника пробника. Поэтому важно правильно подобрать пробники, чтобы они были согласованы с осциллографом и исследуемым устройством. Качественные и грамотно подобранные пробники минимально искажают исследуемый сигнал и способствуют высокой точности измерений.

Существует несколько основных типов пробников. Каждый тип хорошо подходит для своего вида измерений:
- пассивные пробники
- активные пробники
- дифференциальные пробники
- высоковольтные пробники
- токовые пробники
- гальванически изолированные пробники

На этой фотографии показаны типичные представители каждой из шести категорий пробников. Кроме этих основных категорий также существуют пробники для специальных задач, например для измерения шума и пульсаций на шинах питания электронных устройств. Подробное руководство по выбору пробников (всего около 100 моделей всех типов) находится ниже на этой странице в разделе Дополнительная информация.

Примеры основных типов пробников (щупов) для осциллографов
Примеры основных типов пробников: пассивный (TPP1000), активный (P7240), дифференциальный (P5200A), высоковольтный (P5100A), токовый (TCP0300A) и гальванически изолированный (IsoVu).

Типовые применения осциллографов

Теперь, когда мы разобрались с основными критериями выбора, рассмотрим типичные задачи применения осциллографов и подходящие для этих задач модели приборов.

Основной осциллограф для лаборатории

Для большинства типовых задач, возникающих при разработке или ремонте электронной аппаратуры отлично подходит серия Tektronix MSO/DPO2000В (100 - 200 МГц, 2 или 4 канала, $1 000 - $4 000), которая создавалась в качестве основного осциллографа, способного решать 90% вопросов в диапазоне до 200 МГц:

Для более сложных задач или для покупки на перспективу выбирайте серию Tektronix MDO3 (100 МГц - 1 ГГц, 2 или 4 канала, $4 000 - $15 000), которая поддерживает большое количество опций расширения, содержит встроенный анализатор спектра и позволяет, при необходимости, расширить полосу пропускания с помощью кода активации:

Разработка многоканальных аналого-цифровых устройств

Для сложных систем, содержащих много разных аналоговых и цифровых сигналов, выбирайте серию Tektronix MSO5 (350 МГц - 2 ГГц, 4, 6 или 8 аналоговых каналов, до 64 цифровых каналов, от $15 000):

или серию профессиональных USB осциллографов Pico Technology PicoScope 6000E (до 500 МГц, до 8 аналоговых каналов, до 16 цифровых каналов, от $5 000):

Для аналого-цифровых систем попроще, а также для систем преобразования и передачи электроэнергии, хорошо подойдёт серия Tektronix MSO4 (200 МГц - 1,5 ГГц, 4 или 6 аналоговых каналов, до 48 цифровых каналов, от $8 000):

Для аналого-цифровых систем начального уровня оптимальными являются: USB серия Pico Technology PicoScope 3000D (50 - 200 МГц, 2 или 4 аналоговых канала + 16 цифровых, $600 - $2 500) и настольная серия Tektronix MSO/DPO2000В, которая уже упоминалась в этом сравнении (100 - 200 МГц, 2 или 4 аналоговых канала + 16 цифровых, $1 000 - $4 000):

Профессиональный осциллограф для очень сложных задач

Когда важны максимальные возможности анализа аналоговых и цифровых сигналов с полосой до 1 ГГц и одновременный анализ радиочастотных сигналов в диапазоне до 6 ГГц, выбирайте серию Tektronix MDO4000C (4 аналоговых канала до 1 ГГц и 16 цифровых каналов, спектроанализатор до 6 ГГц, $8 000 - $20 000):

В частотном диапазоне нескольких гигагерц оптимальной является серия Tektronix MSO6, у которой расширенные возможности анализа сигналов сочетаются с малошумящими входными трактами и точной оцифровкой 12-ти разрядными АЦП (4 аналоговых канала до 8 ГГц, до 32 цифровых каналов, от $20 000):

Если частоты сигналов, с которыми надо работать, составляют гигагерцы и десятки гигагерц, то Вам нужна серия Tektronix MSO/DPO70000 (4 - 33 ГГц, 4 канала, от $40 000):

Осциллограф с изолированными (независимыми) входами для энергетики и высоких напряжений

При работе с высоким напряжением (например силовыми энергосетями), а также при работе с гальванически изолированными узлами аппаратуры (опторазвязки, трансформаторы, электрически изолированные датчики и системы сбора сигналов) нужно использовать осциллограф, у которого каждый канал является независимым и изолированным от остальных каналов и сети питания самого осциллографа. Для этой задачи предлагается специальная серия: Tektronix TPS2000B (100 - 200 МГц, 2 или 4 канала, $4 000 - $6 000):

Максимально дешёвый осциллограф, но качественный и функциональный

В диапазоне до $1 000 предлагается три серии:

1. Эконом-серии в USB исполнении: PicoScope 2000A и 2000B (10 – 100 МГц, 2 и 4 канала).

2. Эконом-серия в классическом корпусе: Tektronix TBS1000B (30 – 200 МГц, 2 канала).

3. Серия для образовательных учреждений: Tektronix TBS1000B-EDU (50 – 200 МГц, 2 канала).

Дополнительная информация по этой теме

Мы специально не перегружали эту статью техническими деталями устройства осциллографов и подробным описанием их опций. Всё это Вы можете прочитать на страницах отдельных серий осциллографов. Но для тех, кто хочет максимально разобраться в вопросе, рекомендуем ознакомиться с этой информацией:

12 критериев выбора оптимального осциллографа (на русском) (30 стр.; 7 МБ)

Учебник по основным принципам измерений с помощью осциллографов (на русском) (60 стр.; 2 МБ)

Руководство по выбору пробников для осциллографов Tektronix (на английском) (18 стр.; 2 МБ)

Технология цифрового люминофора DPO в осциллографах – принцип работы, примеры применения

Сравнение и выбор осциллографов с полосой пропускания 500 МГц

Для упрощения процесса выбора цифрового осциллографа, Вы можете воспользоваться нашим опытом и рекомендациями. У нас более 20 лет практического опыта поставок и мы сразу сможем ответить на многие вопросы по моделям, опциям, срокам поставки, ценам и скидкам. Это сбережёт Ваше время и деньги. Для этого просто позвоните нам или напишите нам по E-mail и мы с радостью ответим на Ваши вопросы.