Какой usb осциллограф выбрать. Поймать сигнал: лучшие портативные осциллографы. Альтернативное программное обеспечение

Вступление

Ранее на сайте уже была статья про , который не покупной, а самодельный. Осциллограф Instrustar ISDS220B, также является USB приставкой к пк.

Функционал

Еще одной приятной особенностью является наличие встроенного генератора сигналов. Диапазон регулировки частот для синусоиды: 0-10 МГц, для треугольника и прямоугольника: 0-2 МГц(для прямоугольного сигнала есть регулировка заполнения). Также на задней панели есть регуляторы амплитуды выходного сигнала и смещения. Максимальная амплитуда выходного сигнала: ±5 В.

Характеристики

Теперь о характеристиках самого осциллографа. Максимальная частота дискретизации 200 МГц(в одно канальном режиме). Максимальное входное напряжение: ±16 В (при переключении делителя на щупе на «10» — ±160 В). Есть три режима работы: «Авто», «Ждущий» и «Однократный». Также есть настраиваемый триггер настраиваемый по уровню и сработка по спаду, возрастанию сигнала или и так и так. Развертка по времени регулируется от 10 Нс до 10 С. По напряжению от 10 мВ до 10 В (при использовании делителя щупа выбираем коэффициент деления в выпадающем списке).

Для осциллограммы в приборе есть 512 Кб оперативной памяти (что очень не мало). Это дает возможность захватывать в память больше выборок и просматривать их прокручивая осциллограмму вправо или влево. Также есть режим измерения. Можно добавлять или убирать параметры сигнала, которые необходимо измерять. Есть возможность сохранять осциллограммы как картинки, и как файлы с данными (.csv). Также предусмотрен режим профессионального осциллографа.

Хотя в нем я ничего нового не увидел, просто немного изменены регулировки. Также есть анализатор спектра со множеством настроек. Прямо в окне осциллографа можно включить вкладку настроек генератора сигналов.

Внутреннее устройство осциллографа

Внутри Instrustar ISDS220B устроен так: входной сигнал пройдя аналоговую часть собранную на операционных усилителях AD8065, поступает на вход ацп типа AD9288, по одной на канал.




Вообще AD9288 это и так 2-х канальный ацп с частотой выборок 100МГц. В Instrustar ISDS220B каждая такая МС использует оба своих канала, таким образом достигается частота выборок в 200МГц. Тактирует их, а также занимается передачей данных ПЛИС Altera. Для хранения использованы две RAM памяти. Также Altera генерирует сигнал для сигнал-генератора, которые из цифровых в аналоговые переводятся с помощью ЦАП-а, R2R и усиливается с помощью ОУ. Передачей данных по USB занимается микросхема CY7C68013.



При осмотре на плате отсутствовало много керамических SMD конденсаторов по питанию. Я их допаял, хотя никакого эффекта это не дало. Ну и теперь следует указать на минусы этого прибора. Первый минус заключается в невозможности калибровать прибор на всех диапазонах развертки. Из-за этого луч не находиться в нуле, а немного выше или ниже его. Второй минус это небольшая зашумленость сигнала. Это не критично, тем более есть программное сглаживание. Третий минус касается генератора — выходное сопротивление 200 Ом, хотя для большинства случаев нужно 50 Ом. Пожалуй это все. Следует отметить что софт хорошо продуман, удобен в использовании. Устанавливается легко, и работает на версиях от Windows XP до Windows 10 (32 и 64 разрядности). При этом после установки ПО драйвер устанавливается автоматически. Ну и еще один немаловажный плюс это то что он занимает минимум места на рабочем столе, даже меньше чем современные проф, осциллографы такие как Rigol, Tectronix или Siglent.

Серию публикаций, посвященных осциллографам. Сегодня я расскажу о том какие основные типы осциллографов бывают, расскажу об их преимуществах и недостатках, рассмотрю основные характеристики осциллографов и постараюсь дать советы по поводу того, как подобрать инструмент, соответствующий решаемым задачам.

Выбрать новый осциллограф может оказаться довольно сложной задачей, так как в настоящий момент на рынке представлено довольно много моделей. Вот некоторые основные моменты, которые помогут вам принять правильное решение и понять, что вам действительно необходимо.

Перед тем как собраться купить новый осциллограф, постарайтесь ответить для себя на следующие вопросы:

1. Где вы собираетесь использовать прибор?
2. Сигналы в скольких точках схемы вам потребуется измерять одновременно?
3. Какова амплитуда сигналов, которые вы, как правило, измеряете?
4. Какие частоты присутствуют в измеряемых вами сигналах?
5. Вам необходимо измерять периодические или одиночные сигналы?
6. Исследуете ли вы сигналы в частотной области и нужна ли вам функция быстрого преобразования Фурье?

Аналоговый или цифровой осциллограф?

Вы можете все еще быть поклонником аналоговых приборов, но в современном цифровом мире их особенности не могут сравниться с возможностями современных цифровых запоминающих осциллографов. Кроме того, в аналоговых моделях может применяться устаревшая технология с весьма ограниченными возможностями. Также могут возникнуть проблемы с наличием запчастей.

Преимуществом аналогового осциллографа является отсутствие шумов, имеющих по свей сути цифровую природу, а именно отсутствует шум АЦП, который проявляется в виде ступенчатой осциллограммы на цифровых приборах. Если для вас очень важна точность в передаче формы исследуемого сигнала, тогда ваш выбор — аналоговый прибор.

Преимущества цифрового осциллографа очевидны:

Цифровые осциллографы также дают возможность для высокоскоростного сбора данных и могут быть интегрированы в системы автоматического тестирования (актуально для производств).

Также, зачастую цифровые приборы могут включать в одном корпусе дополнительные устройства:

• Цифровой (логический) анализатор (эти устройства позволяют плюс ко всему анализировать пакеты цифровых данных, например передаваемых через различные интерфейсы I 2 C , USB , CAN , SPI и прочие)
• Генератор функций (сигналов произвольной формы)
• Генератор цифровых последовательносетй

Если осциллограф выполнен в виде переносного устройства, то часто он совмещается с мультиметром, их еще называют скопметрами (иногда очень даже с неплохими характеристиками). Неоспоримыми преимуществами таких устройств являются независимость от питающей сети, компактность, мобильность и универсальность.

USB-осциллографы

Осциллографы на базе ПК, или как их еще называют, USB-осциллографы, становятся все более популярными, поскольку они дешевле традиционных. Используя компьютер, они предлагают преимущества большого цветного дисплея, быстрого процессора, возможности сохранения данных на диск и работы на клавиатуре. Другим большим преимуществом является возможность быстрого экспорта данных в электронные таблицы.

Среди USB-приставок часто попадаются настоящие комбайны, совмещающие несколько устройств в одном корпусе: осциллограф, цифровой анализатор, генератор сигналов произвольной формы и генератор цифровых последовательносетй.

Ценой удобству и универсальности является худшие характеристики, нежели у их автономных собратьев.

Важные характеристики осциллографов

Разберем на какие характиристики приборов следует обращать внимание при выборе осциллографа.

1. Полоса пропускания (bandwidth)

Выбирайте осциллограф, имеющий достаточную полосу пропускания, которая бы захватывала верхние частоты, содержащиеся в измеряемых вами сигналах.

Полоса пропускания является, пожалуй, наиболее важной характеристикой осциллографа. Именно она определяет диапазон сигналов, которые вы планируете исследовать на экране своего осциллографа, и именно этот параметр, в значительной степени влияет на стоимость измерительного прибора.

Для осциллографов с полосой пропускания 1ГГц и ниже, амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) устройства представляет из себя, так называемую, гауссовскую АЧХ, которая является АЧХ однополюcного фильтра нижних частот. Этот фильтр пропускает все частоты ниже некоторой (которая и является частотой пропускания осциллографа) и подавляет все частоты, присутствующие в сигнале, превышающие эту частоту среза.

Частота, на которой входной сигнал ослабляется на 3 дБ считается полосой пропускания осциллографа. Ослабление сигнала на 3 дБ означает примерно 30% амплитудной ошибки! Другими словами, если на входе осциллографа у вас 100 МГц синусоидальный сигнал, а полоса пропускания осциллографа также 100 МГц, то измеряемое напряжение размаха амплитуды величиной в 1В с помощью этого осциллографа составит около 700 мВ (-3 дБ = 20 lg (0.707 / 1.0). По мере того, как частота вашей синусоиды будет повышаться (при сохранении постоянной амплитуды), измеряемая амплитуда понижается. Таким образом, нельзя провести точные измерения сигналов, которые имеют верхние частоты вблизи частоты пропускания вашего осциллографа.

Так как же определить необходимую пропускную полосу прибора? Для измерений чисто аналоговых сигналов необходим осциллограф, который имеет заявленную полосу пропускания, по крайней мере, в три раза выше, чем самые высокие частоты синусоидальных волн, которые вам, возможно необходимо будет измерить. В 1/3 от величины полосы пропускания осциллографа, уровень ослабления сигнала минимален. Для того, чтобы измерить более точно, используйте следующее правило: ширина полосы пропускания, деленная на 3 — это примерно 5% ошибка, а деленная на 5 — 3% ошибка. Другими словами, если вы будете измерять частоты 100МГц, выбирайте осциллограф, по крайней мере, 300МГц, а лучше всего 500МГц. Но, к сожалению, это повлечет за собой увеличение цены...

А как насчет требуемой полосы пропускания для цифровых приложений, где в основном и используются современные осциллографы? Как правило, нужно выбирать осциллограф, который имеет пропускную способность, по крайней мере в пять раз больше, чем частота процессора/контроллера/шины в вашей системе. Например, если максимальная частота в собственных проектах составляет 100 МГц, то вы должны выбрать осциллограф с полосой пропускания 500 МГц и выше. Если осциллограф отвечает этому критерию, он сможет захватить до пятой гармоники с минимальным затуханием сигнала. Пятая гармоника сигнала имеет решающее значение в определении общей формы ваших цифровых сигналов. Рассмотрю пример: 10 мегагерцовый меандр состоит из суммы 10-ти мегагерцового синусоидального сигнала + 30-ти мегагерцового синусоидального сигнала + 50-ти мегагерцового синусоидального сигнала и т.д. В идеале нужно выбирать прибор, который имеет полосу пропускания не ниже частоты 9-ой гармоники. Так, что если основные сигналы с которыми вы работаете — это меандры, то лучше взять прибор с полосой пропускания не менее 10 кратной частоты ваших меандров. Для меандров 100МГц, выбирайте прибор 1ГГц, но, к сожалению это значительно увеличит его стоимость...

Если вы не будете иметь под рукой осциллограф с надлежащим значением полосы частот, то при исследовании сигналов прямоугольной формы, вы увидите на экране закруглённые углы вместо чётких и ясных краёв, характеризующих высокую скорость нарастания фронта импульса. Совершенно очевидно, что такое отображение сигналов, в целом негативно влияет на точность выполняемых измерений.

Искажения формы сигнала при недостаточной полосе пропускания (на входе — прямоугольный сигнал)

Меандры имеют достаточно крутые временные подъемы и спады. Есть простое правило, чтобы узнать необходимую полосу пропускания для вашего прибора, если эти подъемы и спады важны для вас. Для осциллографа с полосой пропускания ниже 2.5ГГц, крутой подъем (спад) может измеряться как 0.35, деленное на ширину полосы частот. Так, осциллограф 100МГц может измерять подъем до 3.5нс. Для осциллографа от 2.5ГГц до 8ГГц, используйте 0.4, деленное на ширину полосы частот и для осциллографов выше 8ГГц, используйте 0.42, деленное на ширину полосы частот. Если ваш подъем является начальной точкой для вычислений, то используйте обратную схему: если вам нужно измерить подъем 100пс, вам необходим осциллограф с полосой пропускания 0.4/100пс = 4ГГц.

2. Частота дискретизации (sample rate)

Выбирайте осциллограф, имеющий достаточную частоту дискретизации по каждому из каналов, для того чтобы обеспечить заявленную полосу пропускания устройства в реальном времени.

Также этот параметр иногда называют частотой выборки или частотой сэмплирования .

Тесно связанной с полосой пропускания осциллографа в режиме реального времени является его максимально допустимая частота дискретизации. «В реальном времени» означает, что осциллограф может захватывать и отображать единожды полученные (не повторяющиеся) сигналы, соизмеримые с полосой пропускания прибора.

Чтобы перейти к определению частоты дискретизации, необходимо вспомнить теорему Котельникова (на западе больше известна как теорема Найквиста-Шеннона или теорема отсчетов ), которая гласит, что в случае,

если аналоговый сигнал имеет ограниченную ширину спектра, то он может быть без потерь однозначно восстановлен по своим отсчетам, взятым с частотой title="Rendered by QuickLaTeX.com" height="16" width="84" style="vertical-align: -4px;">, где — максимальная частота, которой ограничен спектр сигнала и его можно представить в виде ряда

где и интервал дискретизации удовлетворяет условию

Если же максимальная частота в сигнале превышает половину частоты дискретизации, то восстановить сигнал без искажений невозможно.

Ошибочным будет считать, что — это и есть частота пропускания осциллографа При таком предположении, минимальная требуемая частота дискретизации для осциллографа для заданной полосы пропускания является лишь удвоенной полосой пропускания осциллографа в режиме реального времени.

Искажение частотные составляющие, когда полоса пропускания осциллографа равна половине его частоты дискретизации для случая гауссовой АЧХ

как показано на рисунке, это не то же самое, что , если, конечно, фильтр осциллографа не работает как кирпичная стена (не обрезает частоты выше резко до нулевой амплитуды).

Как я уже упоминал, осциллографы с полосой пропускания 1 ГГц и ниже, как правило, имеют гауссову частотную характеристику. Это означает, что, хотя осциллограф ослабляет амплитуду сигнала с частотами выше точки -3 дБ, он не полностью устраняет эти более высокие частотные составляющие. Искаженные частотные составляющие показаны красной штриховкой на рисунке. Поэтому всегда выше, чем полоса пропускания осциллографа .

Рекомендуется выбирать максимальную частоту дискретизации осциллографа, по крайней мере, в четыре-пять раз выше, чем полоса пропускания оциллографа в режиме реального времени, как показано на рисунке ниже. С таким параметром, восстанавливающий фильтр осциллографа может точно воспроизводить форму высокоскоростных сигналов с разрешением в диапазоне десятков пикосекунд.

Искаженные частотные составляющие когда полоса пропускания осциллографа определена как ¼ частоты дискретизации прибора

Многие широкополосные осциллографы имеют более резкий срез АЧХ, как на рисунке ниже. Это «максимально плоская» АЧХ. Поскольку осциллограф с максимально плоской АЧХ ослабляет частотные компоненты за пределами гораздо сильнее, и начинает приближаться к идеальной характеристике теоретического фильтра «кирпичная стена», не так много точек выборки требуется для хорошего представления входного сигнала при использовании цифровой фильтрации для восстановления формы сигнала. Для осциллографов с этим типом АЧХ теоретически можно указать полосу пропускания равную .

Искаженные частотные составляющие, когда полоса пропускания осциллографа задана в 1 / 2.5 от частоты его дискретизации для приборов с «максимально плоской» частотной характеристикой.

3.Глубина памяти (memory depth)

Выбирайте осциллограф, который имеет достаточную глубину памяти для получения самых сложных ваших сигналов с высоким разрешением

Тесно связаной с максимальной частотой дискретизации осциллографа является его максимально возможная глубина памяти. Даже при том, что рекламный буклет с техническими характеристиками осциллографа может заявлять высокую максимальную частоту дискретизации, это не означает, что осциллограф всегда сэмплирует с этой высокой скоростью. Осциллограф производит выборку сигнала на максимальной скорости, когда развертка установлена ​​на одном из быстрых временных диапазонов. Но когда развертка установлена ​​на медленный диапазон, для того, чтобы захватить больший временной интервал, растянув его на экране осциллографа, прибор автоматически уменьшает частоту дискретизации, основываясь на доступной глубине памяти.

Например, давайте предположим, что осциллограф имеет максимальную частоту дискретизации 1 Гигасэмпл/с и глубиной памяти в 10 тысяч точек. Если развертка осциллографа установлена в 10 нс/дел, то для того, чтобы захватить 100 нс сигнала на экране осциллографа (10 нс/дел х 10 секций = 100 нс промежуток времени), осциллографу, нужно всего 100 точек памяти на весь экран. На своей максимальной частоте дискретизации 1 Гигасэмпл/с: 100 нс промежуток времени х 1 Гигасэмпл/с = 100 точек. Нет проблем! Но если вы установите развертку осциллографа на 10 мкс/дел для захвата 100 мкс сигнала, осциллограф автоматически уменьшит свою частоту дискретизации до 100 Мегасэмплов/с (10 тысяч точек / 100 мкс временной промежуток = 100 Мегасэмплов/с). Для поддержания большой частоты дискретизации осциллографа на медленных диапазонах времени требуется, чтобы прибор имел дополнительную память. В определении требуемого количества памяти поможет довольно простое уравнение, основанное на самом длинном промежутке времени сложного сигнала, который вы должны захватить и максимальной частотой дискретизации, с которой вы хотите чтобы осциллограф произвел сэмплирование.

Память = Временной интервал x Частота дискретизации

Хотя, вы можете интуитивно думать, больше памяти — всегда лучше, однако, осциллографы с большой глубиной памяти, как правило, стоят дороже. Во-вторых, для обработки длинных сигналов, используя память, требуется дополнительное время. Обычно это означает, что скорость обновления осциллограмм будет снижена, иногда весьма значительно. По этой причине, большинство осциллографов на рынке сегодня имеют ручной выбор глубины памяти, и типичная установка глубины памяти по умолчанию, как правило, относительно небольшая (от 10 до 100 тысяч точек). Если вы хотите использовать глубокую память, то вы должны вручную включить ее и идти на компромисс со скоростью обновления осциллограмм. Это означает, что вы должны знать, когда нужно использовать глубокую память, а когда — нет.

Сегментация памяти

Некоторые осциллографы имеют специальный режим работы под названием «сегментация памяти». Сегментированная память может эффективно расширить время для сбора, путем деления доступной памяти на более мелкие сегменты, как показано на рисунке ниже. Осциллограф затем выборочно оцифровывает только важные части формы исследуемого сигнала с высокой частотой дискретизации и затем устанавливает временные метки, чтобы вы знали точное время между каждым возникновением события запуска. Это позволяет осциллографу захватить много последовательных однократных сигналов с очень коротким временем повторения, при этом не пропуская важную информацию. Этот режим работы особенно полезен при захвате вспышек сигнала. Примерами сигналов импульсного типа являются импульсный радар, вспышки лазера, а также пакетированные сигналы последовательной шины данных.

4. Количество каналов

Выбирайте осциллограф, который имеет достаточное количество каналов для того, чтобы производить критичные по времени измерения, между коррелированными (связанными) между собой сигналами.

Число необходимых каналов в осциллографе будет зависеть от того, какое количество сигналов вам требуется одновременно наблюдать и сравнивать между собой. Сердцем большинства встраиваемых систем, на сегодняшний день, является (MCU), как упрощенно показано на рисунке ниже. Многие микроконтроллерные системы, на самом деле, являются устройствами смешанных сигналов с несколькими аналоговыми, цифровыми сигналами и последовательными шинами ввода/вывода для взаимодействия в внешним миром, который, по своей природе, всегда аналоговый.

Сегодняшние конструкции смешанных сигналов становятся все более сложными, поэтому может потребоваться больше каналов в осциллографе для их захвата и отображения. Двух и четырехканальные осциллографы являются сегодня востребованными. Увеличение числа каналов с 2 до 4 не приводит к двукратному увеличению цены прибора, но все же цена растет ощутимо. Два канала — оптимально, большее число каналов — зависит от ваших потребностей и финансовых возможностей. Более четырех аналоговых каналов встречается очень редко, но есть и другой интересный вариант — это осциллограф смешанных сигналов.

Осциллографы смешанных сигналов объединяют в себе все измерительные возможности осциллографов с некоторыми возможностями логических анализаторов и анализаторов протоколов последовательных шин. Наиболее важной является способность этих приборов одновременно захватывать несколько аналоговых и логических сигналов с одновременным отображением формы этих сигналов. Представьте это, как наличие нескольких каналов с высоким разрешением по вертикали (обычно 8 бит) плюс несколько дополнительных каналов с очень низким разрешением по вертикали (1 бит).

На рисунке ниже приведен пример захвата сигнала входа цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) при помощи цифровых каналов осциллографа, одновременно с мониторингом выхода сигнала ЦАП при помощи одного аналогового канала. В этом примере, осциллограф смешанных сигналов настроен таким образом, что он запускается, если логическое состояние входа ЦАП примет самое низкое значение 0000 1010.

Осциллограф смешанных сигналов может захватывать и отображать множество аналоговых и цифровых сигналов одновременно, обеспечивая общую картину коррелированных процессов

5. Скорость обновления осциллограмм

Выбирайте осциллограф, который имеет достаточно высокую скорость обновления сигнала для того, чтобы захватить случайные и редкие события, для более быстрой отладки проектов

Скорость обновления осциллограмм может быть также важна, как и уже рассмотренные нами пропускная способность, частота дискретизации и глубина памяти, хотя этот параметр часто упускается из виду при сравнении различных осциллографов перед покупкой. Даже при том, что скорость обновления сигнала осциллографа может казаться высокой при просмотре повторно захваченных сигналов на дисплее вашего осциллографа, эта «высокая скорость» является относительной. Например, обновление в несколько сотен сигналов в секунду, конечно достаточно быстро, но c точки зрения статистики, это может оказаться недостаточным, чтобы захватить случайное или редкое событие, которое может произойти только один раз на миллион захваченных сигналов.

При отладке новых проектов, скорость обновления осциллограмм может иметь решающее значение — особенно, когда вы пытаетесь найти и отлаживать редкие или прерывистые проблемы. Рост скорости обновления осциллограмм увеличивает вероятность захвата осциллографом «призрачных» событий.

Неотъемлемой характеристикой всех осциллографов является «мертвое время» (dead-time ) или «слепое время» (blind time ). Это время между каждым повторяющимся захватом сигнала осциллографом, в течение которого он обрабатывает ранее зарегистрированный сигнал. К сожалению, «мертвое время» осциллографа может иногда быть на несколько порядков больше, чем время захвата. В течение мертвого времени осциллографа, любая сигнальная активность, которая может произойти, будет пропущена, как показано на рисунке ниже. Обратите внимание на пару сигнальных выбросов, которые произошли во время простоя осциллографа, а не во время захвата (acquisition time).

Время захвата и «мертвое время» осциллографа

Из-за «мертвого времени», захват случайных и редких событий с помощью осциллографа становится азартной игрой — так же, как бросание игральных костей. Чем большее число раз вы бросите кости, тем выше вероятность получения определенной комбинации чисел. Точно так же, чем чаще обновляются сигналы осциллографа для заданного времени наблюдения, тем выше вероятность захвата и просмотра неуловимого события, о существовании которого вы даже можете по подозревать.

На рисунке ниже, показан выброс, который происходит примерно 5 раз в секунду. Некоторые осциллографы имеют максимальную скорость обновления сигнала более 1 миллиона осциллограмм в секунду, и такой осциллограф имеет 92% вероятность захвата этого выброса в течение 5 секунд. В этом примере, осциллограф захватил выброс несколько раз.

Регистрация выбросов в осциллографе со скоростью 1 миллион обновлений сигнала в секунду

Для осциллографов с обновлением 2-3 тысячи раз в секунду, вероятность захвата таких выбросов в течение 5 секунд составляет менее 1%.

6.Триггер

Выбирайте осциллограф, имеющий различные типы запуска, которые могут понадобиться, чтобы помочь выделить захват сигнала на самых сложных сигналах.

Если запуск развертки осциллографа никак не связан с исследуемым сигналом, то изображение на экране будет бежать или быть смазанным. В этом случае осциллограф отображает различные участки наблюдаемого сигнала на одном и том же месте. Для получения стабильного изображения все осциллографы содержат систему, называемую триггером. Триггер задерживает запуск развертки осциллографа до тех пор, пока не будут выполнены определенные условия.

Возможность триггерного запуска является одной из важнейших сторон осциллографа. Триггерный запуск позволяет синхронизировать захват осциллографом сигнала и отображать отдельные части сигнала. Вы можете представить триггерный запуск осциллографа как синхронизированное выполнение снимков.

Наиболее распространенным типом запуска осциллографа является срабатывание при пересечении определенного уровня. Например, запуск по фронту канала 1, когда сигнал пересекает определенный уровень напряжения (уровень запуска) в положительном направлении, как показано на рисунке ниже. Все осциллографы имеют такую возможность, и это, вероятно, наиболее часто используемый тип запуска. Но, по мере усложнения цифровых проектов, вам, возможно, потребуется дополнительно определять/фильтровать запуск осциллографа специфическими комбинациями входных сигналов для того, чтобы захватывать сигнал «в нуле», а также просматривать нужную часть сложного входного сигнала.

Запуск осциллографа по фронту цифрового импульса

Некоторые осциллографы имеют возможность запуска по импульсам, с конкретными временными характеристиками. Например, запускаться только тогда, когда импульс шириной менее 20 нс. Этот тип запуска (с уточненной шириной импульса) может быть очень полезен для запуска на непредвиденных сбоях.

Другой тип запуска, который применяется в большинстве современных осциллографов, это запуск по шаблону. Режим запуска по шаблону позволяет настроить триггер осциллографа на запуск по логической/булевой комбинации высоких уровней (единиц) и низких уровней (нулей) в двух или более входных каналах. Это может быть особенно полезным при использовании осциллографа смешанных сигналов, который может иметь до 20 аналоговых и цифровых каналов.

Более продвинутые осциллографы даже обеспечивают запуск, который синхронизируется сигналами, имеющими параметрические нарушения. Другими словами, осциллограф запускается, только если входной сигнал нарушает конкретное параметрическое состояние, такое как снижение амплитуды импульса («запуск коротышкой»), нарушение скорости края (времени нарастания/спада), или, возможно, нарушения времени длительности периода данных (триггер времени установки и удержания).

На рисунке ниже показан запуск осциллографа положительным импульсом с уменьшенной амплитудой, используя режим запуска «коротышкой». Если это импульс-коротышка происходит только один раз за миллион циклов импульсов цифрового потока, то захват этого сигнала, используя стандартный запуск по фронту, это все равно что поиск иголки в стоге сена. Также возможно производить запуск отрицательными «коротышками», а также импульсами-коротышками с определенной длительностью.

Запуск осциллографа импульсом-коротышкой

7. Работа с последовательными интерфейсами

Последовательные интерфейсы, такие как I 2 C , SPI , CAN , USB и т.д., широко распространены во многих современных разработках, использующих цифровые и смешанные сигналы. Для проверки правильности передачи сообщения по шине, а также для аналоговых измерений сигнала требуется осциллограф. Многие специалисты для проверки последовательной шины при помощи осциллографа, используют методику, известную как «визуальный подсчет битов». Но этот ручной метод декодирования последовательной шины достаточно трудоемок и приводит к частым ошибкам.

Многие из современных цифровых осциллографов и осциллографов смешанных сигналов имеют дополнительные возможности по декодированию протокола последовательной шины и триггерного запуска. Если вы планируете плотно работать с последовательной шиной, то обратите внимание на осциллографы, которые могут декодировать и запускаться данными с последовательной шины, что может значительно сэкономить ваше время при отладке устройств.

8. Измерения и анализ сигналов

Одним из основных преимуществ современного цифрового запоминающего осциллографа, по сравнению с аналоговыми приборами, является возможность выполнять различные автоматические измерения и производить анализ оцифрованных сигналов. Практически все современные цифровые осциллографы имеют возможность ручных курсорных/маркерных измерений, а также минимальный набора автоматических измерений параметров импульса, таких как время нарастания, время спада, частоту, длительность импульса, и т.д.

В то время, как для измерений параметров импульса обычно выполняются временные или амплитудные измерения амплитуды для небольшой части сигнала, то чтобы обеспечить «ответ», например, времени нарастания или размаха напряжения, математические функции осциллографа выполняют математическую операцию по всей осциллограмме или пары сигналов для получения еще одного сигнала.

На рисунке ниже показан пример математической функции быстрого преобразования Фурье (БПФ), которое было применено к тактовому сигналу (желтая кривая). БПФ перевело сигнал в частотную область (серая кривая), которая изображает по вертикальной оси амплитуду в дБ в зависимости от частоты в Гц по горизонтальной оси. Другие математические операции, которые можно выполнять для оцифрованных сигналов - суммирование, разность, дифференцирование, интегрирование и т.д.

Хотя математические функции над сигналом также можно выполнить в автономном режиме на ПК (например в MatLab), имея такую встроенную в осциллограф возможность можно не только упростить выполнение этих операций, но и понаблюдать за поведением сигнала в динамике.

9. Осциллографические пробники (измерительные щупы)

Качество измерений очень сильно зависит от того, что за пробник вы подключили к BNC-входу осциллографа. Когда вы подключаете любую измерительную систему к исследуемой схеме, измерительный прибор (и щуп) становится частью тестируемого устройства. Это означает, что можно «нагрузить» или изменить в некоторой степени поведение ваших сигналов. Хорошие щупы не должны нарушать входной сигнал и в идеале должны передать в осциллограф точный дубликат сигнала, который присутствовал в точке измерения.

Когда вы покупаете новый осциллограф, то он, как правило, поставляется со стандартным набором щупов с высоким входным сопротивлением — один пробник для каждого входного канала осциллографа. Эти типы пассивных щупов общего назначения являются наиболее распространенными и позволяют измерять широкий диапазон сигналов относительно земли. Но эти щупы имеют некоторые ограничения. На рисунке ниже показана эквивалентная схема типичного 10:1 пассивного щупа, подключенного к высокоомному входу осциллографа (вход осциллографа 1МОм).

Типичная модель пассивного пробника 1:10

Электрическая модель любого пробника (пассивного или активного) и осциллографа может быть упрощена до комбинации одного резистора и одного конденсатора, подключенных параллельно. На рисунке ниже показана типичная схема замещения осциллограф/пробник для 10: 1 пассивного щупа. Для низких частот или для постоянного тока, в нагрузке преобладает сопротивление 10МОм, которое, в большинстве случаев, не должно стать проблемой. Хотя 13.5 пФ не кажется большой емкостью, на высоких частотах нагрузка, полученная при помощи этой емкости, может быть значительной. Например, на частоте 500 МГц реактивное сопротивление конденсатора емкостью 13.5 пФ в этой модели составляет 23.6 Ом, которые уже являются значительной нагрузкой и может привести к искажению сигнала.

Для высокочастотных измерений необходимо использовать активные щупы. «Активный» означает, что пробник включает в себя усилитель, расположенный за наконечником щупа. Он позволяет существенно уменьшить емкостную нагрузку и увеличить полосу пропускания для пробника. К недостаткам высокочастотных активных пробников можно отнести их динамический диапазон, а также их стоимость.

Есть и другие специальные измерительные задачи, о которых хотелось бы упомянуть. Если вам нужно произвести измерения на высокоскоростной дифференциальной последовательной шине, то вы должны рассмотреть возможность использования высокочастотного дифференциального активного пробника. Если вам нужно померить сигналы, имеющие очень высокое напряжение, вам понадобится специальный пробник, рассчитанный на высокое напряжение. Если вам нужно измерить ток, вы должны рассмотреть возможность использования датчика тока.

Hantek 6022BE — USB-осциллограф, предназначенный для эксплуатации в полевых условиях. Прибор отлично работает с замедленными сигналами, для которых неважна высокая точность. Выпуском осциллографа Hantek 6022BE занимается китайская компания Hantek, специализирующаяся на производстве цифрового оборудования.

Приборы такого типа применяются в условиях отсутствия возможности подключения к стационарной сети и прекрасно улавливают замедленные сигналы, приём которых не требует повышенной точности фиксации.

Дизайн

Корпус осциллографа выполнен из серебристого алюминия, перемежаемого пластиковыми накладками и зеркальной надписью Hantek. На передней панели располагаются разъёмы для щупов и логического анализатора и контакты для калибровки: весьма предсказуемый внешний вид.

Корпус Hantek 6022BE оснащён кнопкой, разъёмом USB и небольшим люком с надписью USBXI, за которым скрыт дополнительный разъём.

Комплект поставки

Комплектация прибора стандартная: осциллограф, кабель USB, шлейфы для логического анализатора и 20 зажимов для него же, два щупа к осциллографу, маркировочные кольца разных цветов и отвёртки для корректировки частотной характеристики, инструкция к Hantek 6022BE. Несмотря на то, что в наименовании щупов — РР-80 - указана цифра 80, их полоса пропускания - всего 60 МГц. В комплекте также поставляется диск с программным обеспечением.

Эксплуатация

Несмотря на то, что программное обеспечение для Hantek 6022BE поставляется на носителе в комплекте, его можно скачать отдельно с официального ресурса компании-производителя. И софт, и инструкция по эксплуатации - на английском языке, однако на сайте имеются и русскоязычные версии.

После подключения осциллографа к компьютеру к самому прибору и контактам калибровочного генератора подсоединяются щупы. После запуска программы на монитор выводятся два сигнала прямоугольной формы, которая настраивается до идеального прямоугольника при помощи идущей в комплекте отвёртки.

Перед самокалибровкой Hantek 6022BE должен прогреться в течение 20 минут, что указано в инструкции по эксплуатации. Только после этого можно запускать калибровку устройства.

Развёртка

Режим запуска триггера только один — Edge, в котором пользователь может выбрать источник сигнала: канал 1, канал 2 или положительный/отрицательный фронт.

Функционал осциллографа предусматривает автоматический запуск, однократный запуск и работу в режиме Normal. Никаких других режимов работы триггер не имеет.

Чувствительность каналов

При коэффициенте щупа 1:1 чувствительность каналов может варьироваться в диапазоне от 200 mV/дел до 5 V/дел. Столь широкий разброс позволяет использовать щупы с делителями до 1:10 000.

Сдвиг по горизонтали и уровни срабатывания триггера могут корректироваться движением мышки, однако значения обеих величин в программе не отображаются: момент срабатывания триггера не привязан ни к одним данным, выводимым на экран.

Математический канал

Отображает разность, сумму, частное и произведение сигналов в обоих каналах и спектр FFT. Представлен в виде третьей осциллограммы. Для FFT может настраиваться тип окна. Так же выбирается шкала амплитуд — логарифмическая либо линейная.

Измерения

В горизонтальные измерения входят измерения частоты и периода сигнала, времени, за которое сигнал нарастает и спадает, ширины импульса и промежутка между импульсами в процентах ко всему периоду и во временных значениях.

Вертикальные - измерение минимального и максимального уровня сигнала, пикового напряжения, напряжения «основания» и «вершины» импульса, отрицательного и положительного выброса, среднего и среднеквадратичного значения.

Курсорные измерения - единственный режим, работа в котором на виртуальном осциллографе Hantek 6022BE значительно проще, чем на реальном. На экране выделяется необходимая область, после чего появляются deltaV и deltaT. Всего предусмотрено три курсорных режима: горизонтальный, вертикальный и cross, являющийся объединением первых двух.

Интерполяция

Отображаемые осциллографом данные в силу своей дискретной природы могут интерполироваться разными способами: в линейном режиме, в ступенчатом режиме при отсутствии интерполяции и в интерполяции вида sin (x)/x, которая является наиболее точной в теории. На практике, однако, особого эффекта от её использования замечено не было.

Сохранение информации

Сохранение снятых осциллограмм осуществляется в нескольких форматах: xls, doc, bmp и txt. В формате bmp сохраняется скриншот осциллограмм, в то время как остальные три представляют собой только текстовое отображение измерений. Для работы с ref-каналом используется отдельный формат ref.

Логический анализатор

Данные с анализатора отображаются в отдельном окне программы.

Софт не предусматривает для логического анализатора никаких настроек: на экран выводятся только сигналы в количестве 16 штук. Захват сигналов запускается вручную нажатием кнопки. Единственная имеющаяся у Hantek DSO 6022BE настройка — Samplerate, варьирующаяся от 100 kSa/s до 48 kSa/s. Сигналы захватываются до тех пор, пока не будет заполнена вся память устройства.

Логический анализатор не связан с самим осциллографом и работает полностью автономно. Судя по отзывам о Hantek 6022BE, недостатком анализатора является сильное торможение его работы после начала захвата сигналов.

Альтернативное программное обеспечение

Для Hantek DSO 6022BE имеется отдельное программное обеспечение, однако оно не работает со стандартной моделью осциллографа. Единственным его отличием от родного является изменение дизайна GUI.

Разъёмы и кнопка на задней панели

Сзади осциллографа располагается клавиша, которая, как указано в инструкции, вызывает программное обеспечение. Несмотря на это, своей функции она не выполняет и является разве что украшением. Разъём USBXI также не выполняет своей задачи: изначально он предназначался для объединения нескольких приборов, однако в комплекте к осциллографу не идёт ни кабель, ни какие-либо другие аксессуары.

Преимущества цифрового оборудования

Аналоговые приборы обладают следующими достоинствами:

• АЦП работает практически бесшумно, не превышая допустимые значения.
• Форма сигнала передаётся с высокой точностью.

Преимущества осциллографа Hantek

• Малый вес, благодаря чему портативный прибор можно легко транспортировать.
• Компактные габариты.
• Функция измерения одиночных сигналов, что очень удобно в работе.
• Интуитивно понятный и удобный интерфейс.
• Цветной дисплей.
• Все исследуемые данные и сведения о захваченных сигналах сохраняются в памяти осциллографа.
• Возможность распечатки сохранённых данных.
• Возможность создания AC-входа Hantek 6022BE своими руками.
• Высокая скорость обработки данных.
• Можно устанавливать

Стоимость осциллографа

Цена прибора на официальном русскоязычном сайте производителя составляет 4400 рублей. В специализированных магазинах стоимость начинается от 3800 рублей.

Итоги

Прибор Hantek 6022BE является весьма неплохим осциллографом, функционал которого позволяет раскуривать цифровые сигналы. Осуществляется это посредством настроек триггера по источнику, уровню и фронту, то есть по одному из имеющихся каналов.

Триггер может работать в автоматическом режиме (в нём осциллограф сильно напоминает старый аналоговый по принципу работы), нормальном режиме (обновление экрана и сведений осуществляется только в случае, если все условия срабатывания триггера соблюдаются) и одиночном режиме (экран обновляется один раз, для продолжения необходимо нажать на клавишу Start и вывести прибор из ожидания).

Нормальный и одиночный режимы работы позволяют легко зафиксировать необходимые данные и тщательно их изучать впоследствии по разным шинам, к примеру по USART.

Среди дополнительных функций отдельно можно выделить возможность проведения измерений непосредственно на экране — на остановленной осциллограмме можно выделять отдельные точки курсором и фиксировать период, амплитуду и прочие параметры записанного сигнала.

Осциллограф Hantek 6022BE можно использовать для работы с неспешными цифровыми сигналами до 100 МГц — шинами данных, микроконтроллерами и прочими устройствами. Изучение аналоговых сигналов ему даётся сложнее, поскольку во всей красе проявляются цифровые шумы.

Решили мы как-то взять осциллограф другу. Долго думали… Выложить за советскую Цешку тысяч 5-10, либо поднакопить на нормальный фаршированный , который сейчас у меня стоит на

На Авите советские осциллографы стоят почему-то до сих пор очень дорого, а цифровой осциллограф стоит и того дороже. И тут мы подумали: “А почему бы не взять USB осциллограф с Алиэкспресса?” Цена – копейки, функционал почти тот же самый, что и у цифрового осциллографа, да и габариты небольшие. USB осциллограф по сути тоже является цифровым осциллографом, но только с одним отличием – у него нет собственного дисплея.

Почесали репу, пораскинули мозгами… Кризис – надолго. Доллар дешеветь не собирается. Самые лучшие инвестиции – это в приборы и в образование. Ну что же, сказано – сделано. Спустя месяц с лишним пришел вот такой USB осциллограф:

В придачу с ним шли 2 щупа, шнур USB, расходники, диск с ПО, а также отвертка для регулировки щупов

С одной стороны осциллографа мы видим два BNC разъема для подключения щупов, а справа видим два штыря. Эти штыри – генератор тестового сигнала для калибровки щупов осциллографа. Один из них земля, а другой – сигнальный.

Как мы видим на фото, максимальное напряжение, которое мы можем подавать на разъемы BNC – это 30 Вольт, что вполне хватит для начинающего электронщика. Генератор тестового сигнала выдает нам прямоугольный сигнал меандр с частотой в 1 Килогерц и размахом в 2 Вольта.

С другой стороны можно увидеть сигнальный светодиод, сигнализирующий о работе осциллографа, а также вход для USB кабеля, который другим концом цепляется к ПК

В рабочем состоянии все это выглядит как-то так:

Работа осциллографа

После установки программного обеспечения, которое шло на диске, цепляем наш осциллограф. Начинается установка драйверов. Потом запускаем программу. Интерфейс программы проще пареной репки:

Слева само рабочее поле, а справа горизонтальная и вертикальная развертка для первого и второго канала. Есть также волшебная кнопка “AUTO”, которая выдает нам уже готовый сигнал на дисплее.

Далее нажимаем на “CH1”, что означает “первый канал”, так как я подцепился к разъему первого канала. Цепляем щуп к тестовым штырям и подготавливаем осциллограф к работе. Крутим винтик на щупе и добиваемся того, чтобы осциллограмма тестового сигнала была строго прямоугольной

Должно получиться как-то так:

На всех цифровых осциллографах это делается одинаково. Как это сделать, можно прочитать .

Также можно вывести параметры, которые осциллограф сразу бы показывал на мониторе. Это частота, период, среднее значение, среднеквадратичное, напряжение от пика до пика и тд. Про эти параметры можно прочитать в этой статье.

Частота дискретизации

Частота дискретизации – это грубо говоря, с какой частотой осциллограф записывает сигнал. Как вы знаете, осциллограмма – это кривая или прямая линия. Чаще всего кривая. Помните, как на алгебре чертили параболу графика y=x 2 ? Если мы брали 3-4 точки, то у нас график получался с изломами (в красных кружочках)

А если бы брали больше точек, то и график собственно получался правильнее и красивее:

Здесь все то же самое! Только по Х у нас откладывается время, а по Y – напряжение.

Следовательно, чтобы сигнал как можно точнее отображался на дисплее, нужно чтобы этих точек было как можно больше. И чем больше точек, тем лучше и правильнее отображается форма сигнала. В этом плане абсолютную победу одерживают .

Для того, чтобы было как можно больше точек, частота дискретизации должна быть как можно больше. Также частоту дискретизации чаще всего называют частотой сэмплирования . Sample с англ. – выборка. На каждом цифровом осциллографе эта частота сэмплирования указывается прямо на его корпусе. Указывается она в МегаСэмплах, что значит миллион сэмплов. У этого USB осциллографа максимальная частота сэмплирования составляет 48 МегаСэмплов в секунду (48MSa/s) Это означает, что за 1 секунду сигнал прорисовывается (состоит) из 48 миллионов точек. Вот теперь скажите мне, у какого осциллографа будет самый правильный сигнал? У с частотой дискретизации в 500 МSa/s или у нашего героя статьи в 48MSa/s ? То-то же)

Полоса пропускания

Полоса пропускания – это максимальная частота, после которой осциллограф начинает показывать искажение сигнала. На данном USB осциллографе заявленная полоса пропускания равняется 20 Мегагерц. Если мы будем замерять сигналы более, чем за 20 Мегагерц, то у нас сигналы будут искажаться по амплитуде. Хотя на деле этот USB осциллограф выдает максимум 3 Мегагерца без искажения. Это маловато.

Плюсы осциллографа

1. Умеренная цена и функционал. Стоит в разы дешевле, чем крутые цифровые осциллографы
   
2. Настройка и установка ПО занимает около 10-15 минут
   
3. Удобный интерфейс
4. Малогабаритный размер
5. Может производить операции как с постоянным, так и с переменным током
6. Два канала, то есть можно измерять сразу два сигнала и выводить их на дисплей

Минусы осциллографа

1. Малая частота дискретизации. Небольшое лирическое отступление…
2. Обязательно нужен ПК
3. Малая полоса пропускания
4. Глубина памяти тоже никакая

Вывод

После цифрового осциллографа OWONa этот USB осциллограф чувствуется гламурной какашкой. Не хочу сказать, что он вообще плохой и лучше его не покупать. Он очень даже хорош собой и умеет выдавать осциллограмму по заявленным характеристикам типа до 20 Мегагерц, но на самом деле в разы меньше. Обошелся он нам чуть меньше 4000 руб. Если бы он стоил в районе 1000-2000 руб, то он стоил бы своих денег. В принципе, для начинающих электронщиков этот осциллограф будет более-менее нормальным решением. Для средних и профи электронщиков скажу сразу: “Копите деньги на нормальный цифровой осциллограф!”

Вот также небольшой видеообзор от Паяльника:

Более подробно про то, как выбрать осциллограф и на какие параметры следует обратить внимание, читайте в этой статье.