Аналоговый или цифровой осциллограф: как выбрать правильный для ваших проектов

Осциллографы — важные тестовые инструменты в инженерии электроники. Особенно когда мы измеряем участок повторяющейся волновой формы или высокочастотный сигнал. Однако среди новичков есть вопрос: аналоговый или цифровой осциллограф — какой лучше? В большинстве случаев вы заметите, что цифровые осциллографы стоят дороже своих аналоговых аналогов.

Но почему? В этом руководстве мы ответим на этот вопрос и не только. Мы также рассмотрим, как работает каждый осциллограф и как его идентифицировать. К концу этого руководства вы сможете отличать их друг от друга и определить, какой лучше для вашего проекта.

Что такое осциллограф?

Рука, регулирующая осциллограф 

Осциллограф известен под множеством имен. Вы можете называть его осциллографом, о-скопом, CRO (катодно-лучевой осциллограф), DSO (цифровой осциллограф с памятью) или просто скопом. Это оборудование, использующее зонд для измерения изменяющегося сигнального напряжения между двумя точками электронного устройства или электрической цепи.

При измерении напряжения мультиметр берет показание цепи в одну точку во времени. С другой стороны, осциллографы позволяют измерять напряжение цепи во времени. По сути, он возьмет много тысяч измерений и нанесет их на ваш экран. Это позволит вам легко сравнить любые скачки или падения напряжения от переходных процессов.

Существует два основных типа осциллографов: аналоговые и цифровые. Они практически работают одинаково, но, как вы увидите, цифровые осциллографы имеют дополнительные функции, которых нет у их аналоговых аналогов.

Аналоговые осциллографы

Аналоговый осциллограф

Когда производители представили аналоговые осциллографы, они использовали КЭЛ с горизонтальными отклоняющими пластинами для отображения волновых форм.

Напряжения на горизонтальных пластинах в трубке изменяли положение потока. Когда электронный поток ударял в фосфорное покрытие на экране, область приземления светилась. Следовательно, это отображало точку света, которая в конечном итоге становилась воспринимаемой длиной волны.

Существовали двухлучевые осциллографы, которые можно было использовать для сравнения двух разных сигналов. Они одновременно излучали и отображали два электронных пучка на одном плоском экране.

Базовые аналоговые осциллографы не имели функции хранения. Однако можно было приобрести аналоговый осциллограф с памятью для хранения изображения входной волновой формы. Тем не менее, эти аналоговые осциллографы с памятью были дорогими и довольно примитивными по современным стандартам.

Изначально аналоговые осциллографы были обычно большими и громоздкими. Однако благодаря цифровой технологии будущие осциллографы стали достаточно компактными для полевых сервисных приложений.

Цифровые осциллографы

Rigol DS2000 Series Digital Oscilloscopes

Твердотельные экраны сменили большие и громоздкие КЭЛ. Соответственно, это сделало осциллографы намного меньше и не почти такими глубокими. Кроме того, это также позволило им иметь больше функций отображения. Сегодня цифровые осциллографы — самые распространенные типы осциллографов.

Кроме того, появление цифровых осциллографов позволило дополнительные функции, такие как стандартное хранение, улучшенная манипуляция отображением, лучшая синхронизация и т.д.

Типы цифровых осциллографов

Когда производители и компании выпустили первые цифровые осциллографы, они представили их под цифровым фосфорным осциллографом (DPO) и цифровым осциллографом с памятью (DSO). Это потому, что первые несколько цифровых осциллографов использовали фосфорные экраны. Современный цифровой осциллограф использует LED или LCD экран.

В прошлом размер и разрешение экрана ограничивали аналоговые осциллографы. Наоборот, современные цифровые осциллографы не имеют этой проблемы.

Смешанно-сигнальные и смешанно-доменные осциллографы (MSO и MDO)

Agilent 54622D MSO Teardown

Источник: Flickr

Новые возможности, предоставляемые цифровыми осциллографами, вышли далеко за то, что многие могли предвидеть в аналоговые дни. Они включили возможности, такие как каналы логического анализа за пределами двух или более каналов аналогового осциллографа, обычно доступных. Например, стали доступны смешанно-сигнальные осциллографы (MSO). Другие возможности, такие как выход генератора функций и цифровой мультиметр, также стали возможны.

Почти все современные осциллографы имеют стандартные модели MSO. Альтернативно, они могут предлагать множественные цифровые каналы как опцию. Кроме того, многие цифровые осциллографы включают обработку сигналов для измерений в частотной области, то есть спектральный анализ. Это позволяет тестировать цепи, которые могут требовать смесь спектрального анализа и обычных измерений осциллографа.

Настоящий смешанно-доменный осциллограф имеет выделенный RF-разъем, который можно использовать только для измерений в частотной области. Интересно, что он обычно имеет более высокую производительность спектрального анализа.

Цифровые выборочные осциллографы (Digital Sampling Oscilloscopes)

Цифровой выборочный осциллограф

Источник: Wikimedia Commons

Еще одна форма осциллографа — цифровой выборочный осциллограф. Это очень специализированная форма осциллографа, которую используют для ограниченного числа нишевых приложений. Например, он может рассматривать такие аспекты, как джиттер на сигналах далеко в десятки гигагерц. Таким образом, мы не используем эти осциллографы для средних приложений осциллографа.

В результате, у них ограниченный вариант использования. Осциллографы также поставляются в различных форматах. Они могут поставляться в стандартных корпусах для использования в лаборатории. Напротив, другие более подходят для полевых сервисных приложений.

Аналоговый vs. Цифровой осциллограф — USB и PC-осциллографы

PicoScope 6000, подключенный к ноутбуку

Источник: Wikimedia

PC-осциллограф может быть либо автономным осциллографом, либо внешним. Внешние PC-осциллографы требуют подключения к вашему ПК для работы. Кроме того, они могут использовать дисплей компьютера, блок питания и процессор. Часто их можно связать через USB-интерфейс.

Однако некоторые внешние осциллографы могут использовать компьютерные шины, такие как система PXI. Конечно, вам нужно установить программное обеспечение и драйверы осциллографа на вашем компьютере для правильного взаимодействия.

С другой стороны, внутренние автономные PC-осциллографы поставляются с внутренними компьютерными частями. У них есть внутренние микропроцессоры, предоставляющие дополнительные функции, такие как управление приборами, автоматические измерения и управление отображением. Кроме того, они позволяют более сложную обработку оцифрованных сигналов. Это превышает возможности аналоговых версий с КЭЛ прямого просмотра с памятью.

Существует огромное множество различных типов и моделей осциллографов. Зная их характеристики и глядя на их спецификации, вы можете посмотреть на их производительность, форм-фактор и общие возможности.

Ключевые различия между аналоговыми и цифровыми осциллографами

Различия в работе

Рабочее место электронного инженера с осциллографом

Существует огромное недопонимание среди новичка в электронике. Многие предполагают, что только аналоговые осциллографы используют КЭЛ дисплеи. Это неверно. Цифровые осциллографы, такие как Tektronix 2230 цифровой осциллограф с памятью, используют КЭЛ дисплей.

Если вы сравните старый аналоговый осциллограф, как Tektronix 2213, с Tektronix 2230 DSO, вы заметите, как у последнего больше панельных элементов управления. Таким образом, внутренне больше сложности в том, как работает цифровой осциллограф с памятью.

Цифровой осциллограф может делать все, что может аналоговый. Однако, когда вы начинаете уменьшать масштаб на аналоговом осциллографе, особенно если это низкая частота, выходное изображение начинает мерцать. Это из-за того, как КЭЛ экран отображает волновые формы.

Цифровой осциллограф с памятью исправляет это, предоставляя вам более стабильное изображение. Таким образом, вместо отображения переменного напряжения, DSO будет дискретизировать волновые формы в различных точках, хранить их и отображать. Это дает более стабильный дисплей и делает легче для вас просмотр всей волновой формы.

Цифровой осциллограф достигает этого через свой аналого-цифровой преобразователь (ADC). Он берет измеренные напряжения как аналоговые сигналы и переводит их в цифровые сигналы.

Аналоговый осциллограф не способен на ту же персистентность, что и цифровой. Кроме того, вы можете настроить эффективную персистентность на цифровом осциллографе, позволяя ему улавливать больше шума. Калировка дисплея позволяет увидеть более точное измерение и лучшее качество графика. Кроме того, использование LCD технологии делает цифровые системы легче и более портативными.

Различия в спецификациях

Векторное изображение осциллографа

Источник: Commons Wikimedia

Другой способ понять некоторые различия между осциллографами — наблюдать их спецификации. В этом разделе мы их рассмотрим:

Полоса пропускания (Bandwidth):

Это баннерная спецификация для осциллографа. Она описывает, насколько высокую частоту может обрабатывать входная часть осциллографа и насколько быстрое время нарастания он может захватить.

Таким образом, частота сигнала и время нарастания этого сигнала неразрывно связаны. Чтобы рассчитать самое быстрое время нарастания, которое ваш осциллограф может увидеть, разделите 0.35 на указанную полосу пропускания. Формула выглядит так: самое быстрое захватываемое время = 0.35 / полоса пропускания.

И у аналоговых, и у цифровых осциллографов есть спецификации полосы пропускания. Однако современные цифровые осциллографы далеко превосходят возможности старых осциллографов по полосе пропускания.

Частота дискретизации (Sample/Sampling Rate):

Эта спецификация уникальна для цифровых осциллографов. Она говорит вам, в скольких точках в секунду ваш осциллограф приобретает данные. По сути, входной сигнал проходит через аналоговый входной тракт (откуда берется полоса пропускания), а затем оцифровыватель дискретизирует аналоговую волновую форму.

Хотя частота дискретизации связана с полосой пропускания, она не влияет на неё. Все, что она делает — берет данные от аналогового входного тракта. Тем не менее, полоса пропускания описывает аналоговую часть осциллографа, а частота дискретизации описывает цифровую часть. Отсюда мы понимаем, почему частота дискретизации — это спецификация, эксклюзивная для цифровых осциллографов.

Глубина памяти (Memory Depth/Size):

Частота дискретизации и глубина памяти — атрибуты, тесно связанные друг с другом в осциллографе. Глубина памяти описывает, сколько данных волновой формы может захватить осциллограф. Чем быстрее частота дискретизации, тем короче захваченная волна. Таким образом, волновые формы с более быстрыми частотами дискретизации занимают больше памяти. Кроме того, чем больше памяти вы можете использовать, тем больше времени вы можете хранить.

Глубина памяти — третья по важности свойство цифрового осциллографа. Опять же, это спецификация, уникальная для цифровых осциллографов с памятью. Аналоговые осциллографы не захватывают и не записывают волновые формы. Таким образом, у них нет свойств глубины памяти.

Разрешение (ADC Bits):

Современные осциллографы поставляются с 8, 10 и 12 битами ADC. Аналого-цифровой преобразователь берет аналоговый сигнал, преобразует его и квантует в цифровую информацию. Таким образом, 8-битный ADC способен на 256 уровней квантования (2^8 = 256). Это вертикальное разрешение ADC.

Чем выше разрешение, тем четче будет представление волновой формы. Кроме того, биты ADC будут диктовать диапазон входа. Например, осциллографы с более высоким разрешением будут более подходящи для анализа крошечных сигналов. Это еще одна уникальная спецификация, которой не имеют аналоговые осциллографы.

Синхронизация (Trigger):

• Каждый цифровой осциллограф поставляется с ручкой, позволяющей изменить уровень синхронизации на осциллографе. Синхронизация по сути говорит осциллографу, когда сделать снимок волновой формы.

Ваш стандартный DSO поставляется с множеством разных режимов синхронизации, которые говорят, как реагировать, когда он встречает событие синхронизации. Например, режим синхронизации по фронту говорит осциллографу захватить снимок, когда сигнал касается края сетки на дисплее. Это дает вам универсальный способ измерения волновой формы.

Опять же, поскольку аналоговые осциллографы не захватывают и не хранят данные, триггеры в основном уникальны для цифровых осциллографов с памятью.

Преимущества аналоговых осциллографов

Есть много преимуществ использования цифровых осциллографов над аналоговыми. Но какие преимущества у старых аналоговых осциллографов?

Проще в использовании:

Цифровые осциллографы склонны быть более сложными. Наоборот, аналоговые осциллографы могут быть легче в использовании, потому что у них минимальные элементы управления и менее запутанные дисплеи. Таким образом, вы можете использовать их для изучения основ тестирования напряжения. Часто меньше функций означает больше простоты. Вам не нужно тратить столько времени на настройку аналоговых осциллографов.

Дешевле:

Аналоговые осциллографы дешевле цифровых типов. Это потому, что они старее и имеют меньше функций, и так как вы можете найти много б/у осциллографов этого типа, они дешевле.

Лучше для аналоговых показаний:

Аналоговые показания часто выглядят лучше на аналоговых КЭЛ экранах. Они четче и в некоторых случаях могут казаться менее шумными.

Доступность:

Опять же, потому что они старее, есть много старых б/у моделей, которые вы можете приобрести. Кроме того, они менее востребованы. Таким образом, большинство авторитетных магазинов электроники и оборудования, как правило, полны запасами.

Заключение

Для большинства простых тестов в инженерии электроники аналоговые осциллографы работают так же хорошо, как и цифровые. Если вы новичок или любитель, вы можете получить больше пользы от покупки аналогового осциллографа вместо цифрового. Однако при покупке осциллографа вы должны быть четкими в своих целях и том, соответствуют ли функции осциллографа им.

Например, вам нужно будет проанализировать дизайн осциллографа, цифровую или аналоговую полосу пропускания, время нарастания, частоту дискретизации, плотность каналов, длину записи, скорость захвата волновой формы, подключение и расширяемость. Для цифровых осциллографов вам нужно будет беспокоиться о памяти на канал и глубине памяти. Как только вы поймете эти простые спецификации, вы сможете отличить, какой осциллограф лучше для вас. Теперь, когда люди спрашивают: «аналоговый или цифровой осциллограф; какой лучше?» вы сможете дать им четкий ответ. Тем не менее, мы надеемся, что вы нашли это руководство полезным. Как всегда, спасибо за чтение.