Осциллограф — второй по значимости и частоте использования специалистами и радиолюбителями-конструкторами измерительный прибор после мультиметра. С развитием вычислительной техники появился самостоятельный вид осциллографов — USB осциллограф. Иногда их называют осциллограф-приставка к компьютеру.
Время чтения: 15 минут
Содержание
Первые USB-осциллографы были выведены на рынок относительно недавно — в 1992 году компанией Pico Technology. Они работали под операционной системой DOS. С тех пор осциллографы-приставки к ПК принципиально изменились. Существенно увеличилось число компаний, производящих эти приборы. Среди них Hantek, Instrustar, LOTO Instruments, OWON, VIMU. Всего в каталоге магазина Суперайс имеется более сотни моделей зарубежных брендов.
Ознакомившись с этой публикацией, читатели получат представление о технических характеристиках, функциональных возможностях и критериях выбора USB устройств для исследования параметров электрических колебаний.
Что такое USB-осциллограф и как он устроен
Осциллограф-приставка представляет собой малогабаритный аппаратно-программный измерительный комплекс, предназначенный для тестирования амплитудных, частотных и временных параметров сигналов.
Цифрами на рисунке обозначены следующие блоки и узлы:
- Входные цепи. Они содержат коммутируемые фильтры верхних и нижних частот, программно управляемые элементы (переключатель режима работы входа — открытый или закрытый, резистивный аттенюатор).
- Операционный усилитель входного сигнала.
- Фильтр нижних частот с управляемой частотой среза.
- Аналого-цифровой преобразователь (АЦП).
- Микроконтроллер.
- Преобразователь интерфейса UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter — универсальный асинхронный приёмопередатчик) — USB.
Функциональная схема канала 2 аналогична схеме канала 1.
Измеряемый сигнал поступает на входы каналов осциллографа. После усиления и фильтрации сигнал поступает на АЦП (4), где он преобразуется в цифровую форму.
Оцифрованные данные подаются на микроконтроллер по шине TX, где они обрабатываются и отправляются на преобразователь интерфейса (6).
С выхода этого преобразователя через порт USB информация поступает в компьютер для дальнейшей обработки и визуализации. На основе принятых данных программное обеспечение компьютера формирует осциллограмму входного сигнала и выводит её на экран.
Сигналы управления прибором поступают с компьютера в микроконтроллер через преобразователь интерфейса (6) по шине RX.
Основное отличие классического настольного аппарата от осциллографа USB типа состоит в том, что настольное устройство может работать автономно. USB-изделие таким качеством не обладает. В нём отсутствует дисплей, встроенные органы управления, устройства обработки и хранения результатов измерений сигналов.
Часто в таких устройствах отсутствует блок питания. Питающее напряжение поступает по интерфейсу связи USB.
Выпускаются некоторые модели с внешним блоком, выполненным в форм-факторе сетевой вилки. Это сделано в устройствах со значительным потреблением энергии, которое может обеспечить лишь интерфейс USB 3.0, но не поддерживает USB 2.0. Такое решение позволяет использовать аппарат с ПК или ноутбуком, в котором отсутствует интерфейс USB 3.0, но имеется порт USB 2.0, используемый только для обмена данными.
Для настройки параметров аппарата USB используется мышь и клавиатура.
Верхний предел диапазона рабочих частот устройства ограничен широкополосностью аналоговой части прибора (входных цепей, операционного усилителя, фильтра нижних частот), быстродействием АЦП и микроконтроллера.
Расширение полосы частот аналоговой части технических проблем не вызывает. Эта задача давно решена в аналоговых измерителях.
Быстродействие цифровой части в принципе ограничено возможностями современной элементной базы.
Разрядность непосредственно влияет на качество и точность анализа напряжений малой амплитуды и аналоговых сигналов сложной формы. Аппараты с разрядностью в 12 бит поддерживают тестирование 4096 градаций уровня входных колебаний. Приборы с разрядностью в 8 бит обеспечивают диагностику только 256 градаций.
Таким образом, параметры быстродействия цифровой части измерителя ограничивают частотный диапазон устройства.
Какие задачи решаются с помощью USB-осциллографов
Осциллографы, подключаемые к компьютеру, применяются при выполнении следующих работ:
- проектирование, настройка, регулировка, диагностика узлов и блоков радиоэлектронной аппаратуры различного назначения;
- проверка работоспособности электроники транспортных средств;
- сервисные работы на телекоммуникационном оборудовании в местах его эксплуатации;
- испытания электронной техники в полевых условиях;
- техническое обеспечение учебного процесса в профильных техникумах и вузах.
Существуют комбинированные аппараты, которые сочетают функционал нескольких измерителей. К ним относятся осциллограф, генератор сигналов, анализатор спектра, анализатор протоколов, логический анализатор и другие.
В осциллографах применяются генераторы колебаний двух типов:
- источники классических тестовых импульсов прямоугольной формы с частотой до нескольких десятков мегагерц с выходным напряжением до единиц вольт;
- устройства DDS (Direct Digital Synthesis — прямой цифровой синтез), позволяющие формировать высокостабильные аналоговые колебания синусоидальной, прямоугольной, треугольной, пилообразной и произвольной формы.
Работа встроенных анализаторов спектра основана на быстром преобразовании Фурье.
Многоканальные анализаторы протоколов обеспечивают работу с логическими сигналами TTL, LVTTL CMOS, LVCMOS, ECL, PECL, EIA.
Опция логического анализатора позволяет работать с микроконтроллерами и осуществлять анализ цифровых шин обмена данных. Из них наиболее часто встречаются:
- UART.
- I2C (Inter-Integrated Circuit — внутренняя интегрированная цепь) — последовательная асимметричная шина для связи между интегральными микросхемами внутри радиоэлектронной аппаратуры.
- SPI (Serial Peripheral Interface — последовательный периферийный интерфейс). Это протокол синхронного полудуплексного обмена данными. Он предназначен для высокоскоростной передачи информации между микроконтроллерами и периферийными устройствами.
Критерии выбора цифрового USB-осциллографа
Для иллюстрации метрологических и функциональных возможностей современных осциллографов-приставок к ПК были выбраны три модели разных производителей, принадлежащих к одному ценовому сегменту.
Основные параметры выбранных моделей осциллографов приведены в таблице 1.
Характеристики, указанные в первой колонке таблицы, служат критериями для выбора измерителя.
| Характеристика | PINTECH MSO5114 | Hantek DSO3104A | DreamSourceLab DSCope U3P100 |
| Полоса пропускания, МГц | 100 | 100 | 100 |
| Чувствительность КВО*, мВ/деление | 5 | 1 | 10 |
| Частота дискретизации, Гвыб/с | 1** (250 Мвыб/с)*** | 1** (250 Мвыб/с)*** | 1** (500 Мвыб/с)*** |
| Количество аналоговых каналов | 4 | 4 | 2 |
| Количество цифровых каналов | нет | нет | нет |
| Разрядность АЦП | 8 | 8 | 8 |
| Глубина памяти, Мб на канал**** | н/д | 128 | 128*** |
| Операционная система | Windows 7/Windows 8 | Windows XP/Vista/7/8/10 | Windows XP, VISTA, 7, 8, 10, Mac OS X 10.12+, Linux |
| Цена, руб.***** | 77 025 | 60 046 | 49 110 |
*КВО — канал вертикального отклонения.
**Значение приводится для режима работы аппарата с использованием одного канала.
***Значение параметра приводится для многоканального режима эксплуатации прибора.
****Понятие глубины памяти (Memory Depth) характерно для цифровых осциллографов. Оно служит для характеристики объёма памяти устройства, который доступен для запоминания выборок исследуемого сигнала. Она равна максимально возможной длине записи для одного цикла захвата данных.
*****Цена указана на момент написания материала.
| Описание | PINTECH MSO5114 | Hantek DSO3104A | DreamSourceLab DSCope U3P100 |
| Генератор сигналов произвольной формы AWG | нет | есть | нет |
| Логический анализатор | нет | 16 каналов | есть |
| Анализатор спектра | нет | есть | есть |
| Курсорные измерения | есть | есть | есть |
Из таблиц 1 и 2 можно сделать следующие выводы:
- Несмотря на самую высокую цену, изделие PINTECH MSO5114 ни в чём не превосходит другие модели.
- Измеритель Hantek DSO3104A имеет самую большую чувствительность КВО, поэтому его лучше использовать при работе с малыми входными напряжениями. Также этот аппарат характеризуется лучшим функционалом.
- Прибор DreamSourceLab DSCope U3P100 имеет самую низкую чувствительность КВО и обеспечивает работу наименьшего числа измерительных каналов. По набору поддерживаемых функций он занимает промежуточное место между двумя другими изделиями.
Особенности PINTECH MSO5114
Устройство отличается:
- наличием дистанционного управления по локальной вычислительной сети через порт LAN;
- поддержкой протокола SCPI (Standard Commands for Programmable Instruments — стандарт команд для программного управления измерительными приборами);
- применением Labview (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench — среды разработки и платформы для выполнения программ на языке программирования «G» фирмы National Instruments, США).
Особенности USB осциллографа Hantek DSO3104A
Генератор AWG (Arbitrary Waveform Generator — колебаний произвольной формы) обеспечивает создание следующих форм напряжений:
- синусоиды;
- меандра;
- напряжений, модулированных по амплитуде и частоте;
- пилообразного и трапецеидального колебаний;
- гауссовского, экспоненциального и произвольного сигналов.
Аппарат AWG формирует колебания в диапазоне 0–25 МГц.
Логический анализатор работает с сигналами цифровой логики TTL, LVTTL CMOS, LVCMOS, ЭСЛ, PECL, EIA. Анализатор спектра работает с использованием математической функции FFT (Fast Fourier Transform — быстрое преобразование Фурье).
DSO3104A поддерживает функцию промышленного тестирования PASS/FAIL, которая позволяет установить соответствие объекта испытаний установленным требованиям. При этом испытуемое устройство исследуется по критериям, разработанным пользователем. Итоги таких измерений регистрируются в виде одного из двух возможных результатов — PASS (прошёл) или FAIL (не прошёл).
Для наращивания числа применяемых в экспериментах каналов к одному ПК можно подключить несколько изделий DSO3104A.
Особенности DreamSourceLab DSCope U3P100
U3P100 представляет собой устройство, отличающееся средними метрологическими характеристиками. Функционально это только цифровой осциллограф.
Очевидным достоинством такого тестера выглядит большое количество операционных систем, с которыми он может работать. Другое преимущество U3P100 — большая частота дискретизации. Она достигается путём организации меньшего числа поддерживаемых каналов.
Подключение к ПК и особенности программного обеспечения
Подключение осциллографа к ноутбуку или к ПК с установленным на них специализированным программным обеспечением проблем не вызывает. Достаточно соединить оба аппарата соединительным кабелем USB и запустить процесс поиска подключённого устройства.
Для корректной работы такого измерительного комплекса ноутбук или ПК должен отвечать определённым системным требованиям. Рассмотрим эти требования и организацию интерфейса пользователя на примере модели измерителя Hantek DSO3104A.
Производитель рекомендует применять следующую конфигурацию вычислительной части измерительного комплекса:
- Операционная система Windows XP SP3.
- Процессор с тактовой частотой не ниже 2.4 ГГц.
- Оперативная память не менее 1 Гб.
- Жёсткий диск объёмом не менее 80 Гб.
- Разрешение экрана дисплея 1024 x 768 или 1280 x 1024.
На этом рисунке цифрами обозначены следующие позиции:
- Главное меню.
- Панель инструментов.
- Переключение между функциями осциллографа (DSO) и генератора сигналов (DDS).
- Панель горизонтальной развёртки. Настройка масштаба по горизонтали, сдвига по времени и пр.
- Панель вертикальной развёртки. Включение/выключение каналов CH1/CH2/CH3/CH4, изменение масштаба по вертикали, коэффициента усиления, типа связи по входу.
- Управление триггером. Различные параметры запуска, выбор источника сигнала запуска.
- Системное время и дата.
- Маркер запуска по фронту сигнала (Edge).
- Текущий масштаб по оси времени.
- Информация о каналах CH1/CH2/CH3/CH4. Масштаб по напряжению для каждого канала.
- Иконка состояния устройства. RUN: осциллограф запущен, STOP: аппарат остановлен.
- Статус подключения. Connected: связь между ПК и осциллографом установлена. Demo: связь с ПК не установлена. Searching device: идёт поиск устройства.
- Маркеры для каналов CH1–CH4. Если маркер отсутствует, канал не отображается.
- Информация о запуске. Тип, уровень, источник сигнала запуска.
- Маркер точки срабатывания запуска.
- Активность запуска:
- AUTO: автоматический режим работы осциллографа, запуск не активен.
- Trig D: осциллограф обнаружил сигнал запуска и захватывает данные после запуска.
- WAIT: вся информация перед запуском была получена. Прибор ждёт срабатывания системы запуска.
- STOP: захват данных остановлен.
- RUN: захват данных запущен.
- PLAY: осциллограф отображает сохранённую информацию результатов тестирования.
- Табло логического анализатора.
Программное обеспечение Hantek DSO3104A позволяет осуществлять экспорт данных о результатах тестов в файлы форматов EXCEL, BMP, JPG, что очень удобно для их анализа и хранения.
Преимущества и ограничения USB-осциллографов
Преимущества:
- Применение в USB аппаратах программного обеспечения, которое оптимизировано для работы с такими измерителями.
- Малые габариты и вес.
- Простота подключения и запуска в работу.
- Масштабируемость числа доступных для тестирования каналов путём подключения нескольких однотипных измерителей к одному ПК.
- Более низкая цена, поскольку объём памяти и вычислительные ресурсы программно-аппаратного измерительного комплекса не зависят от осциллографа. Они определяются возможностями подключённого к прибору ПК.
Ограничения:
- Полоса рабочих частот не превосходит нескольких сотен мегагерц, что явно недостаточно для проведения тестов устройств сверхвысокочастотного диапазона.
- Не все ПК или ноутбуки могут использоваться в составе программно-аппаратного измерительного комплекса из-за недостаточных вычислительных ресурсов.
- При питании по интерфейсу USB шумы, поступающие в измеритель со стороны ПК, могут влиять на результаты тестирования сигналов малой амплитуды.
- На сегодня ни один из осциллографов USB не включён в Государственный Реестр средств измерений РФ. Это делает невозможным их применение в сертификационных и поверочных испытаниях, проводимых Центрами стандартизации и метрологии.
Из анализа ограничений, свойственных рассматриваемой категории средств измерений, можно сделать вывод. Это нишевой продукт, способный заменить полноценные настольные и переносные аппараты не в полном объёме.
В каких случаях USB-измеритель будет особенно полезен
Портативный осциллограф USB будет полезен при работах с радиоэлектронной аппаратурой с учётом ограничений, которые обсуждались выше. К таким случаям относятся:
- Профессиональная диагностика, отладка, поиск неисправностей, ремонт электроники.
- Визуализация процессов, происходящих в электронных схемах, для обеспечения учебного процесса (например, при выполнении обучаемыми практических работ с использованием лабораторных стендов).
- Проведение выездных полевых и натурных испытаний радиоэлектронного оборудования.
- Выполнение радиолюбительских измерений.
В перечисленных ситуациях можно максимально использовать преимущества, которыми отличаются измерители рассматриваемого класса.
Осциллографы с подключением к компьютеру через интерфейс USB не могут использоваться как самостоятельное средство измерений. Для работы с ними необходим сам компьютер. Это ограничение несущественно, поскольку современный сервисный инженер в работе всё равно не обходится без ноутбука.
Существуют ситуации, в которых компактные осциллографы не могут заменить дорогостоящие настольные аппараты. Такие случаи были рассмотрены в настоящей публикации. Они относятся к специфическим измерениям и не затрагивают профессиональные интересы большинства инженеров по обслуживанию и ремонту радиоэлектронной аппаратуры.
Купить USB осциллограф, необходимый для решения конкретного перечня задач несложно. Достаточно сформулировать требования к устройству. Затем на их основе нужно выбрать аппарат с лучшим соотношением цена—качество.
Цены на измерители рассматриваемого типа на момент написания этого материала находились в широком диапазоне от 7 до 77 тысяч рублей. Такой ценовой разброс позволяет подобрать аппарат под любой бюджет.
Если у покупателя возникнут проблемы с выбором устройства, специалисты магазина Суперайс помогут в их решении и в оформлении заказа.
