Oscyloskopy DHO900 oferują profesjonalne możliwości za „amatorską cenę” dzięki pewnym kompromisom. Jeśli to nieakceptowalne, wypada kupić dużo droższy sprzęt. Niekoniecznie! Świadomość kompromisów i ograniczeń pozwoli w pełni wykorzystać ich ogromny potencjał bez ponoszenia dodatkowych kosztów.

W poprzednim artykule Rigol DHO924S w praktyce: parametry i możliwości przedstawiłem podstawowe informacje o tym interesującym oscyloskopie. Teraz, w kolejnych śródtytułach, przedstawię w dużym skrócie garść moim zdaniem istotnych danych i wniosków dotyczących oscyloskopu DHO924S oraz jego kuzynów. Oczywiście nie jest to kompendium ze wszystkimi interesującymi informacjami. Nie przejmuj się też, jeśli nie wszystkie podane szczegóły będą dla Ciebie jasne. Zapewne jasne będą podstawowe wnioski.

Próbkowanie, pasmo i rozdzielczość bitowa

Omawiając mocne i słabe strony tego oscyloskopu, warto zacząć od maksymalnej częstotliwości
próbkowania, wynoszącej w tym przypadku 1,25 GS/s. Na pierwszy rzut oka wygląda, że to żałośnie mało, bo przecież próbkowanie 1 GS/s miał już wiele lat temu choćby kultowy dziś Rigol DS1052. Owszem, próbkowanie 1,25 GS/s to dziś na pozór mało, ale trzeba wziąć pod uwagę, że zastosowany przetwornik ADC nie jest 8-bitowy, lecz 12-bitowy! A to znaczy, że jego rozdzielczość „napięciowa” jest aż 16 razy lepsza niż klasycznego, 8-bitowego!

Analogowe pasmo przenoszenia wynosi 250 MHz, więc przy próbkowaniu 1250 MS/s, na jeden okres badanego przebiegu 250 MHz przypada 5 próbek, co jest wartością 2,5 × większą od kryterium Nyquista, a więc całkowicie wystarczającą w praktyce. Tu akurat nie ma kompromisu.

Ściślej: nie ma kompromisu przy korzystaniu z jednego kanału. Podobnie jak we wszystkich budżetowych oscyloskopach, ten jeden przetwornik ADC obsługuje wszystkie cztery kanały wejściowe. A to znaczy, że maksymalne próbkowanie 1,25 GS/s i pasmo pomiarowe 250 MHz osiągniemy włączając tylko jeden kanał. Przy włączeniu dwóch, maksymalne próbkowanie zmniejsza się do 625 MS/s. Przy włączeniu 3 lub 4 kanałów – zmniejsza się do 312,5 MS/s, a to nadal oznacza, że realne pasmo pomiarowe jest szerokie, sięga do 100 MHz. Czyli tak naprawdę mamy 4-kanałowy oscyloskop o realnym pasmie około 100 MHz. Też zupełnie przyzwoicie!

Tu muszę się przyznać, że do tej pory z lekceważeniem traktowałem informacje o rozdzielczości oscyloskopowych przetworników ADC większej niż 8 bitów, a konkretnie 9 czy 10 bitów. Jednak rozdzielczość 12-bitowa, czyli 16 razy lepsza od „standardowej”, daje dodatkowe godne uwagi praktyczne możliwości. I to właśnie dzięki niej największa czułość tego oscyloskopu to 200 mikrowoltów na działkę.

Dzięki dużo większej rozdzielczości „amplitudowej” praktycznego sensu nabierają różne pomiary, dostępne już wcześniej w oscyloskopach cyfrowych! Otóż przy rozdzielczości 8–bitowej, gdy przetwornik ADC rozróżnia 256 poziomów napięcia, dynamika sięga co najwyżej 40 dB, natomiast w omawianym przypadku, przy 12 bitach, czyli przy rozróżnianiu 4096 poziomów napięcia, dynamika sięga 60 dB! W zakresie częstotliwości do 250 MHz to naprawdę spore osiągniecie jak na budżetowy, tak tani sprzęt!

Jednak dla wielu, także dla mnie, jeszcze ważniejsze jest coś innego – możliwość pracy w funkcji dobrego, szerokopasmowego woltomierza.

Pomiar napięć, czasu i częstotliwości

Otóż oscyloskopy cyfrowe mogą na bieżąco pokazać na ekranie wartości mierzonych napięć, w tym wartość skuteczną dowolnie odkształconych przebiegów szybkozmiennych. A do tego także mogą mierzyć czas i częstotliwość.

Dokładność pomiarów czasu i częstotliwości „od zawsze” była i jest duża, aż za dobra, jak na typowe potrzeby. Gorzej było i jest z dokładnością pomiarów napięcia. Otóż jeśli oscyloskop ma przetwornik ADC 8-bitowy, to z oczywistego powodu rozdzielczość i dokładność takich pomiarów nie może być znacząco lepsza niż 1%. Natomiast obecność przetwornika 12-bitowego pozwala zbliżyć się do rozdzielczości i dokładności 0,1%. Jest szansa na uzyskanie wyniku pomiaru, zawierającego aż trzy cyfry znaczące!

Zdecydowanie zwiększona rozdzielczość bitowa przetwornika ADC ma też duże znaczenie dla dokładności i praktycznej użyteczności analizy widmowej opartej na FFT, czyli na przekształceniu Fouriera. W oscyloskopach 8-bitowych funkcja FFT to raczej mało wartościowy gadżet.

Warto pamiętać, że DHO924S ma niezależną od oscyloskopu funkcję częstościomierza, ale co jeszcze ważniejsze, także uniwersalnego szerokopasmowego woltomierza o paśmie ponad 100 MHz, co ciekawe dającego, zgodnie z rysunkiem 1, możliwość wyboru pomiaru wartości skutecznej (True RMS) bez składowej stałej (AC RMS), albo wraz ze składową stałą (AC+DC RMS)! Dla porównania: klasyczne multimetry przy pomiarach wartości RMS mają żałośnie wąskie pasmo mierzonych częstotliwości, najczęściej co najwyżej do pojedynczych kiloherców i zwykle nie dają możliwości uwzględnienia składowej DC.

Rysunek 1

Nie sprawdzałem w praktyce dokładności tego szerokopasmowego woltomierza TRMS w oscyloskopie DHO924S, ale fakt, że ten obwód (funkcja DVM) wykorzystuje „surowe” dane z wyjścia przetwornika ADC i działa niezależnie od oscyloskopu, też zapowiada co najmniej przyzwoite właściwości.

Rysunek 2 pokazuje włączone kursory i ich paletkę konfiguracyjną. Nie opisuję tu interesujących możliwości wykorzystania kursorów do pomiarów w trzech różnych trybach (Manual, Track, XY). Można to zbadać samodzielnie. W instrukcji obsługi są potrzebne informacje.

Rysunek 2

Kanały, synchronizacja, zasilanie i masa

Dla mnie kluczowe znaczenie ma obecność czterech kanałów pomiarowych, co genialnie rozszerza zakres zastosowań, między innymi umożliwiając pomiary różnicowe 2 × 2 kanały, i to bez dedykowanej sondy różnicowej (po uprzednim sprawdzeniu „współbieżności” używanych zwykłych sond).

Możliwość dowolnego wykorzystania czterech kanałów jest ogromnie ważna, ale trzeba wiedzieć, że w tym budżetowym sprzęcie nie ma gniazda synchronizacji zewnętrznej, więc w razie potrzeby, do tej roli trzeba poświecić jeden z czterech kanałów.

A jeśli już jesteśmy przy wyzwalaniu i synchronizacji, to oscyloskop DHO924S nie ma możliwości bardzo często potrzebnej synchronizacji przebiegiem sieci energetycznej! Niedopatrzenie lub niedoróbka?

Ani jedno, ani drugie! Brak możliwości „synchronizacji siecią” oznacza wprawdzie, że w razie potrzeby trzeba do tego wykorzystać jeden z kanałów, doprowadzając doń sygnał „sieci”, niewątpliwie z zapewnieniem skutecznej izolacji galwanicznej. Ale nie jest to niedopatrzenie producenta!

Otóż w przeciwieństwie do mnóstwa współczesnych oscyloskopów stacjonarnych, gniazda wejściowe i masa oscyloskopu NIE są połączone z przewodem ochronnym PE sieci energetycznej. Oscyloskop ma zewnętrzny zasilacz 12 V 4 A, którego wtyk jest wkładany w gniazdko USB-C w oscyloskopie (fotografia 3).

Fotografia 3

Choć wtyczka ma trzy styki – fotografia 4, nie ma połączenia masy oscyloskopu wprost z przewodem ochronnym sieci (PE), tylko przez rezystor 1 MΩ. W pewnych sytuacjach może to powodować niebezpieczne sytuacje, bo przy niektórych pomiarach na masie oscyloskopu może wystąpić śmiertelnie groźne napięcie sieci.

Fotografia 4

Co ważne, ważący prawie dwa kilogramy, solidny DHO924S może być oscyloskopem o zasilaniu bateryjnym! Osobiście jeszcze tego nie wykorzystywałem, ale od jednego z Czytelników mojego czasopisma „Zrozumieć Elektronikę” otrzymałem informację o bardzo pozytywnych efektach prób zasilania z powerbanku. Z odpowiednio silnego powerbanku z funkcją PD, który „pod dogadaniu się ze sprzętem” podnosi napięcie zasilania powyżej 5V (bo szybki oscyloskop pobiera dużo energii, a podczas pracy obudowy metalowych gniazd z tyłu oscyloskopu są wręcz gorące).
Zasilanie bateryjne to zaleta, ale może wiązać się z ryzykiem porażenia. Na przykład w sieciowych zasilaczach impulsowych tak zwana „masa gorąca” jest praktycznie połączona z przewodem fazowym sieci (przez mostek prostowniczy). Pomiary przebiegów po „gorącej” stronie takiego zasilacza w praktyce oznaczają obecność „fazy na masie oscyloskopu”.

Wielu z nas zetknęło się też z poważnym problemem „śmieci na masie”, czasem wręcz uniemożliwiającym pomiary. Skutecznym rozwiązaniem może być wtedy zastosowanie oscyloskopu o zasilaniu bateryjnym (oraz przemyślane połączenie obwodów masy i zastosowanie ekranowania).
Nieprzypadkowo w instrukcji obsługi jest bardzo ważny zapis: To avoid electric shock, ensure that the instrument is correctly grounded, czyli aby uniknąć porażenia należy się upewnić, że oscyloskop jest prawidłowo uziemiony. Na fotografii 4 zielona strzałka pokazuje gniazdo uziemienia, a do uziemienia służy żółty przewód dostarczany wraz z oscyloskopem.

Oscyloskop spełnia oczywiście europejskie wymagania bezpieczeństwa CE, a w specyfikacji podane są liczne spełniane normy dotyczące bezpieczeństwa (IEC 61010) oraz kompatybilności EM (IEC 61000). Może więc być wykorzystywany do tego rodzaju pomiarów w obwodach sieci. Jest to jednak przyrząd o „energetycznej” kategorii CAT I (rysunek 5), więc najprościej biorąc, nie nadaje się do pomiarów sieci energetycznych poza pomieszczeniami. To są jednak szczegóły głównie dla elektroenergetyków, zainteresowanych kategoriami CAT.

Rysunek 5

Wbudowany generator funkcyjny AFG

Litera S w oznaczeniu DHO924S świadczy, że przyrząd ma wbudowany tak zwany arbitralny generator funkcyjny (AFG – Arbitrary Function Generator) o częstotliwości od 2 mHz (0,002 Hz) do 25 MHz.

Oczywiście jest to generator z syntezą typu DDS, o częstotliwości taktowania do 156 MSa/s, z 14-bitowym przetwornikiem DAC. W zasadzie te parametry dużo obiecują. Jednak przy zadziwiająco niskiej cenie sprzętu finalne możliwości i parametry generatora nie są rewelacyjne. Nie badałem stabilności, liniowości, jittera i zniekształceń, ale „szału nie ma”, bo producent w specyfikacji dla „sinusa” podaje parametry dotyczące „czystośc przebiegu” na poziomie –40 dB, 1%.

Na pewno więc wbudowany generator nie kwalifikuje się do testów wysokiej jakości sprzętu audio, niemniej jak najbardziej nadaje się do ogromnej większości typowych zastosowań, a jego obsługa jest dziecinnie łatwa.

Gniazdo wyjściowe generatora AFG jest umieszczone z tyłu, a nie ma tam gniazda wejściowego modulacji zewnętrznej – patrz fotografia 13 w artykule Rigol DHO924S w praktyce: parametry i możliwości.

Zgodnie z rysunkiem 6, generator wytwarza nie tylko najpopularniejsze, podstawowe przebiegi, ale też użytkownik może załadować plik opisujący jego „prywatny” przebieg (Arb – arbitralny), co jest wskazane fioletową strzałką.

Rysunek 6

Jak pokazuje rysunek 7, przebieg generatora może też być dodatkowo modulowany, ale tylko przebiegiem wewnętrznym, a niestety nie sygnałem z zewnątrz, dostarczanym przez użytkownika.

Rysunek 7

Oczywiście, w pewnych zastosowaniach mankamentem jest wspólna masa z oscyloskopem, ale nie ma co wybrzydzać, bo wartościowy generator otrzymujemy tu niemal gratis.

Dla mnie poważną zaletą jest nie tyle sama obecność generatora, co oprogramowanie, pozwalające błyskawicznie mierzyć charakterystyki amplitudowo–fazowe Bodego (rysunek 8).

Rysunek 8

Dokładność i zakres dynamiki wyznacza nie tyle obecność 12-bitowego przetwornika ADC, który sam z siebie zapewnia dynamikę bliską 60 dB. Zakres dynamiki przy pomiarach charakterystyk jest dużo większy z uwagi na przełączanie czułości wejść oraz możliwość ustawiania różnych poziomów generatora dla różnych zakresów częstotliwości – rysunek 9.

Rysunek 9

16-kanałowy analizator i dekoder logiczny

Oscyloskop zawiera 16–kanałowy analizator logiczny (625 MS/s, 25 Mpts) o imponującym pasmie 200 MHz, wykrywający impulsy 5-nanosekundowe. Funkcja wielokanałowego analizatora logicznego (LA) jest potrzebna tylko zaawansowanym „cyfrowcom”, którzy potrafią uzyskane dane sensownie wykorzystać.

Co jeszcze bardziej istotne, jego funkcje zostają uaktywnione dopiero po dołączeniu dedykowanej sondy PLA2216, kosztującej ponad 1500 zł (fotografia 10).

Fotografia 10

Dlatego dla nieporównanie szerszego grona użytkowników ogromnie interesująca jest funkcja dekodowania sekwencji popularnych interfejsów cyfrowych (i wyzwalania podstawy czasu określonymi sekwencjami), choćby w systemach Arduino. Nie potrzeba do tego wielokanałowego analizatora i kosztownej sondy, a wystarczy jeden, dwa lub najwyżej trzy (w przypadku SPI) kanały oscyloskopu. Rysunek 11 pokazuje przykład konfiguracji dekodowania dla interfejsu SPI.

Rysunek 11

Natomiast rysunek 12 pokazuje paletkę konfiguracji zaawansowanego wyzwalania podstawy czasu wtedy, gdy na łączu I2C pojawi się określony adres i dane.

Rysunek 12

Przyznaję, że w ramach swoich dotychczasowych testów jeszcze nie sprawdzałem osobiście, jak te bardzo atrakcyjne funkcje sprawdzają się w praktyce. W Internecie można znaleźć informacje, że bywają z tym kłopoty, ale nie jestem w stanie zweryfikować zasadności takich twierdzeń. Może to być wyraz niedoskonałości sprzętu pomiarowego i jego oprogramowania, ale może być zupełnie inaczej. Doświadczenie podpowiada, że na przykład niektóre systemy Arduino niechlujnie realizowane na płytkach stykowych wyglądają jak stóg siana i bywają tak „zaśmiecone”, że aż dziw bierze, iż w ogóle działają. Nic zaskakującego, że przy próbie pomiaru ujawniają się wtedy jakieś „kwiatki” – problemy, które ze sprzętem pomiarowym nie mają nic wspólnego.

Operacje matematyczne oraz rozmaite filtry

Ogólna zasada jest taka, że w funkcji oscyloskopu wyświetlane są oryginalne przebiegi uzyskiwane z przetwornika ADC (z ewentualnie włączonym filtrem dolnoprzepustowym 20 MHz). Z prawej strony ekranu można włączyć paletkę z wynikami pomiarów parametrów tych przebiegów.

Natomiast jeżeli te badane przebiegi trzeba poddać jakiejś obróbce czy dokładniejszej analizie, wtedy można wykorzystać okno lub okna operacji matematycznych. Dostępne tam operacje matematyczne, pokazane są na rysunku 13. Jak widać, oprócz znanej analizy FFT i klasycznych operacji arytmetycznych, mamy liczne zaawansowane operacje oraz możliwość zastosowania filtrów (LP, HP, BP oraz zaporowego BandStop). Zaskakuje obecność kilku operacji „logarytmicznych”. Operacje „logarytmiczne” nabierają sensu dzięki zastosowaniu w oscyloskopie 12-bitowego przetwornika ADC. To oczywiście zainteresuje tylko najbardziej zaawansowanych, w każdym razie jest to robiący duże wrażenie przykład możliwości tego budżetowego oscyloskopu.

Rysunek 13

Dla początkujących to czarna magia, która może przestraszyć. Niepotrzebnie!

Wykorzystanie tych możliwości nie jest wcale trudne, tylko trzeba mieć konkretną potrzebę, a nie ma reguł, kiedy taka potrzeba się pojawi. Dlatego z tymi kwestiami warto zapoznawać się stopniowo, ze świadomością, że takie mocno zaawansowane funkcje są wykorzystywane tylko przez najbardziej doświadczonych elektroników.

Jednak od początku trzeba pamiętąć o pewnej ogromnie ważnej „prawdzie podstawowej”, która leży u podstaw takich tajemniczych, zaawansowanych możliwości oscyloskopu.

„Ukryte” parametry oscyloskopu

Otóż ta „prawda podstawowa” brzmi tak: każdy oscyloskop cyfrowy zapisuje w swej wewnętrznej szybkiej pamięci wielokrotnie więcej informacji, niż potem wyświetla na ekranie.

Ma to ogromne znaczenie i w dużym stopniu decyduje o cenie oscyloskopu, ale przy najprostszym wykorzystaniu zupełnie nie zwracamy na to uwagi. Warto jednak o tym wiedzieć choćby dlatego, że już po zarejestrowaniu przebieg na ekranie można „rozciągać i ściskać”, co związane jest z funkcją Zoom, w miarę oczywistą, z czym mają też związek znaczki w środkowej górnej części ekranu oscyloskopu, powszechnie ignorowane przez początkujących.

Jeżeli w palecie konfiguracyjnej podstawy czasu (Horizontal) włączymy funkcję Zoom, to pojawią się na niej możliwości, pokazane na rysunku 14.

Rysunek 14

Po zamknięciu tej paletki, na ekranie zobaczymy dodatkowe okno tzw. „opóźnionej podstawy czasu”, w którym wyświetlony zostanie tylko rozciągnięty fragment przebiegu z górnego okna – prosty przykład na rysunku 15.

Rysunek 15

Warto mieć świadomość, że w oscyloskopach DHO900 jest szybka pamięć, która pozwala zapamiętać aż 50 milionów (12-bitowych) próbek z przetwornika ADC, z czego standardowo na ekranie wyświetlana jest niewielka, a wręcz znikoma część. Przy poziomej rozdzielczości ekranu, wynoszącej 1024 piksele, w bezpośredni sposób można na tym ekranie zobrazować zawartość mniej niż jednego tysiąca spośród 50 milionów komórek pamięci!

Tak dużą pamięć można wykorzystać rozmaicie, co po pierwsze wiąże się łatwą do zrozumienia częstotliwością próbkowania (wyrażaną w próbkach na sekundę (S/s). Po zarejestrowaniu przebiegu pozwala to rozciągać go wielokrotnie w osi poziomej, zaleznie od ustawionych wcześniej: częstotliwosci próbkowania (Sample Rate) oraz głębokości pamięci (Memory Depth).

Obecność obszernej pamięci umożliwia też skorzystanie z ogromnie przydatnej w wielu sytuacjach akwizycji typu Average, czyli z uśredniania wielu przebiegów. Okno konfiguracji pokazuje rysunek 16, gdzie pokrętłem Flex Knob 1 albo za pomocą klawiatury możemy wybrać liczbę przebiegów, które zostaną uśrednione. Akwizycja typu Average (uśrednianie) genialnie zmniejsza szumy, co bardzo często wykorzystujemy w praktyce. Zdecydowanie rzadziej potrzebny jest tryb akwizycji Peak, gdzie z kolei wykrywane są wartości skrajne i anomalie.

Rysunek 16

Obecność bardzo obszernej pamięci do zapamiętywania badanych przebiegów ma też inne oblicze. Najprościej biorąc: fakt, że oscyloskop ma dużą pamięć pozwala w niej zapamiętać nie „jeden ekran”, tylko „wiele ekranów”. To z kolei wiąże się to z czymś dość trudnym do zrozumienia, co uznawano,
a nawet nadal uznaje się, za wadę oscyloskopów cyfrowych względem analogowych. W sumie chodzi o długie przerwy miedzy kolejnymi cyklami pomiarowymi. W specyfikacjach oscyloskopów cyfrowych wyraża się to za pomocą parametru, który dla oscyloskopu DHO924S osiąga na pozór rewelacyjną wartość 1000000 wfms/s, czyli miliona ramek (obrazów, cykli pomiarowych) rejestrowanych na sekundę. Tymczasem „normalna” prędkość rejestracji, czy inaczej wydajność zapisu ramek to dla tego oscyloskopu 30000 wfms/s.

Nie wchodząc w szczegóły: te 1000000 wfms/s to jest kolejny przykład kompromisu i pewnej programowej sztuczki w tym budżetowym sprzęcie. Rewelacyjną wartość miliona „wuefemesów na sekundę” (cokolwiek to naprawdę znaczy) istotnie można osiągnąć, ale tylko w specyficznym trybie UltraAcquire, a zawsze nieprzekraczalnym ograniczeniem jest wielkość szybkiej pamięci, wynosząca 50 megapróbek.

Kwestie „wuefemesów na sekundę” istotne bywają bardzo rzadko, praktycznie tylko przy wykrywaniu nieregularnie występujących, sporadycznych błędów, ale to zadanie dla wąskiego grona specjalistów. I właśnie tylko dla najbardziej zaawansowanych użytkowników pożyteczne są możliwości oscyloskopu dotyczące zapisu, statystyk i wyszukiwania nieregularności przebiegów.

Niemniej bez wchodzenia w szczegóły warto stwierdzić, że długie sekwencje przebiegów można zarejestrować, w różny sposób wyświetlać, a potem badać, także statystycznie i w poszukiwaniu błędów. Przykłady na rysunku 17.

Rysunek 17

Z kolei na rysunku 18 widoczny jest histogram, graficznie pokazujący rozrzut, jaki występuje podczas pomiarów danego parametru, w tym przypadku Vmin w kanale 1.

Rysunek 18

Nie ma się jednak nad czym rozwodzić, bo przytłaczająca większość użytkowników i tak nie będzie mieć żadnego powodu, żeby zwracać uwagę na „wuefemesy” i wykorzystywać wspomniane zaawansowane funkcje. A do celów edukacyjnych i do typowych zastosowań dostępna pamięć i szybkość działania DHO924 wystarczą z dużym zapasem.

Ani w tym, ani w poprzednim artykule nie wspomniałem o wielu innych szczegółach, na przykład o licznych możliwościach i opcjach dostępnych w palecie Utility – rysunek 19.

Rysunek 19

W podsumowaniu mogę stwierdzić, że możliwości opisywanego budżetowego oscyloskopu są ogromne, a poznanie wszystkich szczegółów wymaga czasu i uważnej lektury (angielskojęzycznej) instrukcji obsługi. ©

Autor: Piotr Górecki

Poznaj ofertę serii DHO900 tutaj.