Как выбрать осциллограф: советы по выбору портативного измерительного прибора

Осциллографы бывают двух типов: аналоговые и цифровые. Большинство нынешних приборов — цифровые. Аналоговые версии, использующие электронно-лучевую трубку для вывода информации, хоть и используются до сих пор, но без объективных причин. А ещё не существует портативных аналоговых моделей, так что в статье такой тип измерительного прибора рассматриваться не будет.

Цифровые осциллографы имеют три базовых разновидности:

Как и мультиметры, осциллографы и измерительные пробы (щупы) проектируются для работы в конкретных условиях и имеют категорию электробезопасности. Распространённые любительские портативные и стационарные осциллоскопы имеют категорию электробезопасности II и не подходят для измерений в первичных электрических цепях, имеющих гальваническую связь с питающей сетью (смотри статью «Гальваническая развязка цифрового осциллографа» ).

Цифровой осциллограф — главный инструмент, применяемый при работе с электронным оборудованием, развёртывании электрических и информационных систем. Он способен отобразить форму электрического сигнала, его амплитудные и временные характеристики, шум и помехи и другие параметры.

Перед выбором надо определить и знать сферу применения измерителя. Без этих знаний выбор невозможен: либо будет приобретён прибор с неудовлетворительными параметрами, либо неоправданно дорогой.

Вот направления характеристик, на которые следует пристально устремить свой взор:

Также важна среда эксплуатации. Если планируете использовать аппарат в пыльных, загрязнённых производственных условиях, ещё и при отрицательной температуре воздуха, то нужны более «жизнестойкие» модели.

Это основополагающая характеристика. Она определяет доступный и точно измеряемый частотный диапазон.

Осциллографы начального уровня чаще всего с полосой пропускания порядка 100 МГц. Они способны с приемлемой точностью (1–5%) показывать амплитуды синусоидальных сигналов частотой до 20 МГц.

Для отображения и измерения цифровых сигналов приборам нужно, помимо основной частоты, захватывать также и третью, и пятую гармоники. Иначе они потеряют эксплуатационные характеристики. Так, полоса пропускания вместе с пробой (щупом) должна как минимум в 5 раз быть больше (точнее, шире) максимальной, для приемлемой точности измерения. Этот подход называется «правило пяти».

Соблюдение правила также нужно для точных измерений амплитуды. Высокоскоростные цифровые, коммуникационные протоколы передачи данных, телевизионные и другие сигналы сложных форм могут поэтому потребовать полосы пропускания 500 МГц или более.

Максимальная полоса пропускания определяется как частота, на которой входной синусоидальный сигнал ослабляется до 70,7% от его истинной амплитуды (или, другими словами, ослабляется на -3 дБ).

При работе с аналоговыми сигналами главное — полоса пропускания. А при работе с цифровыми на первое место выходит время нарастания — за которое импульс сменит состояние с низкого уровня до высокого.

Чем меньше время нарастания, тем точнее визуализация и измерение критически важных деталей быстротечных процессов. Быстрое время нарастания также нужно для точных измерений времени и частоты.

Время нарастания определяется как k/bandwidth, где k находится в диапазоне 0.35÷0.45 и зависит от полосы пропускания осциллографа (bandwidth). Как и полоса пропускания, оно тоже подчиняется «правилу пяти». То есть нужна минимум 1/5 времени нарастания самого «быстрого» участка сигнала. Например, для сигнала со временем нарастания 4 наносекунд требуется прибор со временем нарастания не более 800 пикосекунд.

Для работы с цифровыми источниками ТТЛ и КМОП логических микросхем нередко требуется время нарастания от 400÷300 пикосекунд.

Театр начинается с вешалки, а осциллограф — с пробы (щупа). Полоса пропускания пробы должна быть шире или столько же, как у устройства (не забывайте про «правило пяти»!) и не перегружать измеряемую систему.

Пробы — ответственнейшая частью измерительной схемы. У них есть резистивная, ёмкостная и индуктивная нагрузка, которая влияет на результаты измерения. Чтобы минимизировать эффект влияния, лучше брать пробы того же производителя, что и сам аппарат, формируя интегрированную систему, которая будет эффективной.

Нагрузка, образуемая пробой, всё решает. Резистивная нагрузка стандартных пассивных проб обычно составляет 10 мегаом или лучше. Но тем временем ёмкостная нагрузка 10÷15 пикофарад и более при работе с ВЧ-сигналами уже нарушит работу измеряемой системы: к примеру, сорвёт генерацию кварцевых и керамических резонаторов.

При выборе осциллоскопа со средней полосой пропускания смотрите на пробы с ёмкостной нагрузкой не более 10 пикофарад. Наилучшие пассивные пробы могут обеспечить полосу пропускания 1 ГГц при ёмкостной нагрузке не более 4 пФ.

Помимо пассивных проб есть активные, с полосой пропускания до 4 ГГц. И дифференциальные пробы до 20 ГГц для измерения даже в «горячих» точках измеряемых систем. А ещё высоковольтные пробы для непосредственной работы с установками до 40 кВ, или токовые пробы для измерений на энергоустановках. Также есть специализированные логические, оптические и иные виды проб.

Каждый осциллограф имеет определённое фиксированное число каналов. Раньше были распространены 1-канальные, реже 2-канальные. Сегодня недорогие модели как минимум 2-канальные. Но есть и 4-, 8- и 16-канальные. Число каналов, конечно же, отражается на цене.

Выбор 2-, 4-, 8- или 16-канального оборудования зависит от сферы вашего применения. Два или четыре аналоговых канала позволят просматривать и сравнивать временны́е характеристики нескольких сигналов, в то время как отладка цифровой схемы с параллельной обработкой данных требует наличия как минимум 8, а то и 16 цифровых каналов или больше.

Осциллограф смешанных сигналов имеет дополнительные цифровые каналы, которые схемотехнически проще аналоговых и предназначены для отображения и измерения основных параметров цифровых данных, состоящих лишь из сигналов высокого уровня (логическая единица) и низкого уровня (логический ноль). Новые модели имеют специализированный вход для ВЧ-сигналов для высокочастотных измерений в частотной области.

Сколько бы ни было каналов, каждый из них должен иметь широкую полосу пропускания, линейность и устойчивость к перенапряжению и электростатическим разрядам.

Некоторые, обычно недорогие, модели разделяют ресурсы системы дискретизации (АЦП, смотри статью «ТОП-10 типовых узлов в схемотехнике цифровых устройств») между всеми каналами. Это даёт много входов, но в схеме применён всего один дорогой аналого-цифровой преобразователь. Это выгодно. Но скорость выборки делится между всеми каналами и модель с впечатляющей 1 гигавыборок в секунду при работе с 4 каналами покажет невеликие 250 мегавыборок в секунду на канал.

Как правило, внешние контакты для подключения проб соединены между собой, заземлены и не пригодны для измерения «горячих» точек электроустановок, находящихся под потенциалом электрической сети. Изолированные же каналы упрощают такие измерения.

Её можно сравнить со сменой кадров кино- или видеокамеры. Она определяет, насколько подробно осциллограф производит захват.

Частота дискретизации (количество (кило-, мега, гига-) выборок в секунду) — это частота, с которой устройство измеряет амплитуду. Частота дискретизации 1 гигавыборок в секунду подразумевает, что прибор измеряет амплитуду 1 миллиард раз в секунду. Тут тоже должно быть соблюдено «правило пяти»: частота дискретизации должна быть как минимум в пять раз выше частоты исследуемого сигнала.

Помимо максимальной частоты дискретизации, важна и минимальная, которая играет роль при регистрации и сохранении осциллограмм медленно меняющихся электрических процессов. При высокой частоте дискретизации их также можно исследовать, но память для хранения осциллограмм будет расходоваться значительно быстрее.

Большинство аппаратов начального уровня обладают частотой дискретизации 1÷2 гигавыборок в секунду, тогда как измерительная аппаратура среднего ценового уровня может иметь 5÷10 гигавыборок в секунду.

Синхронизация со входным сигналом обеспечивает стабильность и неподвижность осциллограммы на экране и позволяет сосредоточиться на конкретном участке:

Помимо основных способов синхронизации, в современных устройствах в зависимости от их уровня сложности бывают следующие:

Модель выбирают после определения сферы применения, природы и особенностей исследуемых сигналов.

Это количество точек, которое способен захватить (сохранить) осциллограф. Из-за того, что память «не резиновая», он может сохранить только ограниченное количество выборок. И чем больше глубина памяти, тем лучше.

Время захвата равно Глубина памяти / Частота дискретизации. Таким образом, при глубине памяти 1 миллион точек и частоте дискретизации 250 мегавыборок в секунду осциллограф сможет захватить сигнал длительностью 4 миллисекунды.

Сегодня приборы позволяют выбирать глубину памяти для оптимизации уровня детализации. Даже начального уровня сохраняют более 2000 точек, что более чем достаточно для нестабильного синусоидального сигнала. Но чтобы найти причины временны́х аномалий в сложном оцифрованном потоке данных, выбирайте цифровые фосфорные версии (модели DPO) с глубиной памяти в миллион точек или более.

Для поиска трудноуловимых переходных процессов, таких как джиттер, присмотритесь к линейкам среднего ценового уровня, которые будут сочетать большу́ю глубину памяти с высокой частотой дискретизации.

Поиск проблемных моментов в непрерывном сложном ВЧ-сигнале сродни поиску иголки в стоге сена. Нужен автоматизированный процесс. Если в сферу ваших задач входит исследование сложных комплексных сигналов, к примеру, анализ работы аналоговых или цифровых протоколов передачи данных, то вам нужен аппарат, который обладает возможностью автоматического анализа формы. Для автоматизированного поиска и выявления конкретного фрагмента в непрерывном потоке, который вручную найти или чрезвычайно трудно или вовсе невозможно.

Автоматическое измерение формы сигнала облегчает получение точных числовых значений.

Большинство осциллографов дают весь функционал для точных автоматизированных измерений. Их основные измерительные возможности: измерение амплитуды, периода и времени нарастания или спада фронта сигнала. Многие цифровые осциллографы также обеспечивают вычисления среднего и среднеквадратичного значения, длительность цикла ШИМ-сигнала и другие математические операции.

В некоторых моделях есть расширенные математические функции:

Выбор инструмента производите на основе необходимых в вашей сфере возможностей автоматизированного измерения.

Несмотря на вычислительную мощь, всё равно бывают моменты, когда её будет недостаточно. Тогда выходом становится передача результатов измерения на ПК, на котором уже и будет делать все вычисления.

Если нужно выполнение сложных математических вычислений над сигналом или над их группой, или особенности потока данных не проанализировать штатным «железом» и прошивкой, пригодятся модели, имеющие богатое ПО. Оно устанавливается на компьютер, а его возможности шире, чем человеко-машинный интерфейс (HMI) осциллографа.

Примерами, требующими для своего анализа незаурядных вычислительных мощностей, служат сигналы аналоговых и цифровых протоколов передачи данных, такие как RS232/485, LIN, CAN, FlexRay, K-Line, SPI, USB, I²C и так далее.

Это важно для стационарных осциллографов и архиважно для портативных моделей. Работа в стеснённых условиях промышленных производств или при сложных климатических условиях требуют высокой скорости отзывчивости, множества «горячих клавиш» для быстрого переключения режима, когда не нужно лезть в «дебри меню» и т. д.

При выборе портативных моделей выбирайте те, что оснащены большими дисплеями с ёмкостными сенсорными панелями, развитым ПО и высокой скоростью отклика.

Ещё важна общая эргономика устройства. Если осциллограф планируется для монтажных и пуско-наладочных работ, при которых не будет возможности держать его двумя руками, присмотритесь к моделям с развитым оребрением корпуса из нескользящей резины, невысокой массой и/или со специальными кронштейнами для крепления к различным поверхностям.

Популярная среди начинающих радиолюбителей модель осциллографа FNIRSI DSO PRO, хоть и портативная, но всё же не обладает достаточной эргономикой и удобством. Хотя пригодна для обучения работы с оборудованием такого класса.

Подключение осциллографа к персональному компьютеру (ПК) напрямую или передача результатов измерения через съёмный носитель позволяет делать расширенный анализ и упрощает передачу результатов.

Если нужно, покупайте модели с подключением к ПК, локальной вычислительной сети, принтеру. Это расширит коммуникационные способности оборудования.

В случае портативных осциллоскопов изучите, есть ли съёмная аккумуляторная батарея или возможность подключения внешней АКБ увеличенной ёмкости. А также поддержку работы от стандартных пауэрбанков, зарядных устройств мобильной техники и подобных источников питания. Иногда это поможет вам не останавливать работу, если штатный блок питания «прикажет долго жить».

Время автономной работы — немаловажная характеристика портативных осциллографов. Проанализируйте, какая автономность нужна в вашей сфере для всех задач. 10 минут? 1 час? 8 часов? Больше? Тогда выбирайте модели с аккумуляторными батареями повышенной ёмкости и системами экономии расхода заряда.

Изучите возможности осциллографа и определите, имеют ли место быть такие, которые будут нужны в перспективе? Да? Отлично! Обратитесь к информационным ресурсам производителя и посмотрите, не истёк ли срок его поддержки. Если нет, то будьте уверены, что ещё несколько лет измеритель останется актуален и поддерживаем производителем.

Профессионалам точно не нужны морально устаревшие, малофункциональные, низкопроизводительные аппараты, а тем более приборы, бывшие в эксплуатации. Такое оборудование, кроме сниженных характеристик, также увеличит стоимость владения из-за частых ремонтов, невозможности калибровки и поверки, проблем с поиском комплектующих. Как итог, замены на современную производительную модель.

OWON HDS2102S

Это широкофункциональный измерительный комплекс, имеющий «на борту» как высокопроизводительный осциллограф, так и мультиметр и генератор сигналов.

Имея габариты типичного портативного мультиметра и вес около 600 грамм, показывает неплохие «осциллографические» возможности:

Необходимый режим синхронизации по фронту и функциональный набор типовых автоматических измерений позволят выполнять много разных исследовательских задач.

Встроенный мультиметр способен измерять напряжение и силу постоянного и переменного тока, сопротивление, электрическую ёмкость, падение напряжения на p-n-переходе полупроводниковых приборов, контролировать исправность электроцепи («прозвонка»). Переменное напряжение измеряется в режиме True RMS. Мультиметр обладает точностью выше средней и снабжён автоматическим выбором диапазона измерения.

Генератор сигналов произвольной формы основан на принципе прямого цифрового синтеза частоты (DDS) и способен генерировать синусоидальный, прямоугольный, треугольный, импульсный и сигнал произвольной формы с частотой до 25 МГц и амплитудой до 2.5 вольт.

Корпус эргономичен и изготовлен из прочного пластика с нескользящими отбортовками. Все органы управления и цветной жидкокристаллический дисплей расположены на передней панели. Питание от литий-ионных аккумуляторных элементов типа 18650, которых хватает около 4 часов непрерывной работы. Зарядное устройство и вся необходимая оснастка, включая чехол для хранения и переноски входит в комплект.

Плюсы:

Минусы:

Micsig SATO1004

Он уже стал поистине «народным». Его выбрали для себя десятки тысяч техников или инженеров, занимающихся эксплуатацией и восстановлением разной техники. Особую любовь заслужил у автоэлектриков за характеристики, безотказность и функциональность.

Оборудован двумя независимыми каналами, имеет полосу пропускания 100 МГц, частоту дискретизации 1 гигавыборок в секунду, глубину памяти в 130 тысяч точек. Помимо необходимого режима синхронизации по фронту, ещё синхронизирует по заранее запрограммированному условию. Например, после N-го фронта или при высоком или низком логическом уровне сигнала в нужный момент. Это представляет удобство при исследовании работы автомобильных систем и линий передачи данных, таких как LIN, CAN, FlexRay, K-Line, которые дополнительно проверяются и декодируются с помощью функций тестирования и декодирования сигналов автомобильных информационных сетей.

Синхронизация также возможна по характерным для ТВ-сигналов особенностям. Поэтому подходит для развёртывания и обслуживания проводных телекоммуникационных сетей, например, кабельного телевидения или систем видеонаблюдения. Аппарат снабжён интерфейсами связи Wi-Fi, USB 2.0/3.0, HDMI, расширяющими коммуникационные возможности оборудования.

Продуманный дизайн корпуса, обладает повышенной эргономикой. Передняя панель состоит из высококачественного сенсорного жидкокристаллического дисплея, диагональю 8 дюймов и группы кнопок и регуляторов для оперативного и удобного управления. На боковых стенках удобные рукоятки для удержания в любом положении. Питание от литий-ионной аккумуляторной батареи ёмкость 7500 мА/ч, дающей около 8 часов без подзарядки.

Плюсы:

Минусы: