Jak wybrać 1-gigahercowy oscyloskop?

Dziś to właśnie 1-gigahercowe oscyloskopy stanowią główne narzędzie pracy nowoczesnych laboratoriów elektronicznych. W ramach tej grupy produktów znaleźć można ogromną liczbę modeli, co sprawia, że wybór odpowiedniego może być dużym wyzwaniem i może wywołać mętlik w głowie. Wiele oscyloskopów ma takie same parametry i cechy, a nawet są dostępne w zbliżonych cenach, dlatego inżynierowie powinni przyjrzeć się nie tylko kartom katalogowym, ale też zwrócić uwagę na inne czynniki, dzięki którym będą mogli wybrać model najlepiej odpowiadający ich konkretnym potrzebom i sposobowi w jaki pracują. Z powyższych względów zapytaliśmy niektórych ekspertów w branży, jakie są najlepsze sposoby na wybór oscyloskopu pracującego w zakresie 1 GHz.

Podstawy

Mike Hoffman, Product Manager w firmie Keysight Technologies, wskazuje: „Gdy ostatnio sprawdzałem, doliczyłem się 35 samodzielnych, 1-gigahercowych modeli oscyloskopów dostępnych na rynku, pochodzących od różnych producentów”. Oczywiście kluczowym, pierwszym krokiem dla inżyniera jest ocena podstawowych parametrów oscyloskopu podczas jego wyboru. Należy przede wszystkim ustalić, ile kanałów jest potrzebne. O ile większość produktów ma dwa lub cztery wejścia analogowe, na rynku można znaleźć też wersje 6-kanałowe, co pozwala na bardziej złożone konfiguracje pomiarowe. Wiele 1-gigahercowych oscyloskopów będzie także wyposażonych w wejścia cyfrowe, które mają szczególne znaczenie dla złożonych aplikacji, korzystających z sygnałów mieszanych (analogowych i cyfrowych). W zależności od wymagań danego projektu, inżynierowie prowadzący testy mogą rozważyć dodanie 16, 32, lub 48 kanałów cyfrowych. Im więcej kanałów, tym więcej sygnałów może porównać użytkownik. Jednak, wraz ze zwiększaniem liczby kanałów, rośnie też koszt, stąd konieczne jest uwzględnienie nie tylko potrzeb, ale i budżetu.

Inną całkiem podstawową cechą do rozważenia jest ilość pamięci. W cyfrowych oscyloskopach pobrane próbki są gromadzone w buforze, a od jego wielkości zależy, jak długi fragment sygnału może zostać pobrany, zanim pamięć się zapełni. Oscyloskopy mogą mieć wyższą szybkość próbkowania, ale jeśli będą przy tym wyposażone w niewielką pamięć, tą pełną szybkość próbkowania będą w stanie wykorzystać jedynie przy niektórych nastawach podstawy czasu. W ogólności - im pamięci więcej, tym lepiej, ale też nie ma sensu dopłacać za pamięć, która nie będzie potrzebna.

Dodatkowe oprogramowanie to kolejny ważny czynnik, który należy wziąć pod uwagę. Zaawansowane oscyloskopy są dostarczane z oprogramowaniem, które sprawia, że łatwiej jest realizować niektóre scenariusze pomiarowe. Przykładowo, oprogramowanie do pracy z falami radiowymi (RF - Radio Frequency) pozwoli użytkownikom na podgląd różnych sygnałów w dziedzinie częstotliwości, prezentując amplitudę, lub zestawiając fazę z czasem. Natomiast pakiety programowe, odpowiadające za integralność sygnałów i pomiary jitteru, mogą być ważne w przypadku aplikacji komunikacyjnych. Tymczasem zautomatyzowane pomiary charakterystyk związanych z mocą, jak np. strat mocy i harmonicznych są istotne w zastosowaniach, w których krytyczna jest efektywność energetyczna. W niektórych przypadkach priorytetem podczas wyboru może być także oprogramowanie do debugowania systemów wbudowanych, obejmujących układy analogowe i cyfrowe.

W przypadku 1-gigahercowych oscyloskopów, pasmo pracy zazwyczaj nie jest zbyt małe dla większości typowych aplikacji. Jednak w projektach wymagających wykreślania na żywo wykresów oczkowych (eye diagrams) lub pomiarów jitteru, konieczne będzie sięgnięcie po oscyloskop o znacznie szerszym paśmie niż najszybsze z mierzonych sygnałów. Wspomniane pasmo to wcale nie jest taka prosta sprawa. Wszystkie oscyloskopy pracują tak, jakby były filtrami dolnoprzepustowymi z odpowiedzią częstotliwościową, która spada wraz ze wzrostem częstotliwości. Oscyloskopy o paśmie 1 GHz i niższym wykazują odpowiedź o charakterystyce gaussowskiej, stopniowo opadającej od okolic 1/3 częstotliwości przy której uzyskuje się spadek o 3 dB. Natomiast oscyloskopy o paśmie szerszym niż 1 GHz będą miały bardziej płaską charakterystykę, której spadek będzie bardziej gwałtowny.

Inżynierowie zajmujący się testowaniem powinni skorzystać z zasady „pięciu razy”, tj. dobrać taki sprzęt, którego pasmo będzie 5-krotnie większe niż maksymalna częstotliwość stosowana w badanych urządzeniach. Oznacza to, że 1-gigahercowa aparatura z powodzeniem powinna wystarczyć do analizowania komponentów wielu nowoczesnych systemów komunikacyjnych, stosowanych np. w radiu, telewizji, lądowych i morskich systemach mobilnych oraz w aeronautyce.

Czynnikiem, który warto mieć na uwadze jest czas narastania. Oscyloskopy o gaussowskiej charakterystyce odpowiedzi będą cechowały się szybkością narastania na poziomie 0,35/częstotliwość pasma. Maksymalnie płaskie charakterystyki pozwolą uzyskać czas narastania na poziomie 0,4/częstotliwość pasma. W praktyce oznacza to, że czas narastania w przypadku oscyloskopów 1-gigahercowych będzie wynosić od 350 ps do 450 ps, co może mieć znaczenie szczególnie podczas zdejmowania przebiegów sygnałów cyfrowych.

Ważną rolę odgrywają także szumy. Ich poziom determinuje na ile dany oscyloskop jest w stanie mierzyć sygnały słabe. Typowo szumy mają poziom miliwoltów (peak-to-peak), ale niektóre mają też dodatkową funkcję uśredniania próbkowania, by wyeliminować wpływ szumów. W końcu, dodatkowe funkcje mogą pomóc zapewnić zgodność z konkretnym standardem lub nawet przewyższyć go. Brad Odhner, Technical Marketing Manager w firmach Tektronix i Keithley Instruments, komentuje: „O ile możesz spełnić wymagania certyfikacji pod kątem niektórych standardów, uzyskanie jeszcze lepszych wyników pozwoli zdobyć przewagę nad konkurencją.”

Częstotliwość próbkowania ma znaczenie

W przypadku 1-gigahercowych oscyloskopów, częstotliwość próbkowania będzie wynosić od 2,5 GS/s do 6,25 GS/s i wiele osób uważa, że wyższe szybkości próbkowania pozwolą uzyskać lepsze wyniki pomiarów. Dzieje się tak, gdyż im gęściej zebrane próbki, tym wyższa jest rozdzielczość w dziedzinie czasu, a więc uzyskana fala ma bardziej ciągły kształt. Jednak niemal wszystkie obecnie produkowane oscyloskopy cyfrowe z wbudowaną pamięcią, automatycznie wykonują filtrowanie, by zapewnić bardzo gęsto odtworzone próbki. Oznacza to, że oscyloskop z pasmem 1 GHz i nawet z najmniejszym stosunkiem szybkości próbkowania do szerokości pasma (tj. 2,5:1) może precyzyjnie zdejmować sygnały analogowe o wysokich częstotliwościach i szybko-zmieniające się przebiegi cyfrowe.

Nie tylko liczby mają znaczenie

Inżynierowie zajmujący się pomiarami powinni również rozważyć nieco mniej widoczne zalety oscyloskopów, przede wszystkim dlatego, że na rynku jest obecnych wiele produktów, które spełniają powyżej opisane wymagania techniczne. Niezwykle ważne okazują się takie czynniki, jak długość gwarancji i szybkość ewentualnych napraw. Niektórzy producenci oferują gwarancje 3-letnie, a inni nawet do 5 lat gwarancji zapewniają w standardzie. Bywa, że kluczowa jest szybkość realizacji naprawy. Przykładowo, firma Tektronix określa swoje usługi serwisowe jako niezwykle szybkie, gwarantując nie tylko pokrycie kosztów napraw, ale też to, że będą trwały one nie dłużej niż 90 dni.

Innym istotnym czynnikiem jest dostępność aktualizacji oprogramowania. Oprócz klasycznych aktualizacji wersji programów, niektórzy producenci dostarczają dodatkowe licencje, uruchamiające nowe funkcje w sprzęcie. Przykładowo Tektronix oferuje pakiety, które pozwalają przemienić zwykły oscyloskop cyfrowy w wektorowy analizator sygnałów, analizator impulsów, a nawet w tester WiGig czy WLAN.

Łatwość użycia

Im oscyloskop jest łatwiejszy w użytkowaniu, tym więcej czasu można spędzać na właściwych pomiarach, a nie na jego konfiguracji. Wcześniejsza znajomość danej rodziny produktów bywa ważnym czynnikiem w przypadku wielu laboratoriów, które preferują nabywać sprzęt od tego samego producenta, co pozwala zminimalizować nakłady potrzebne na szkolenia.

Producenci spędzają wiele czasu na próbach uproszczenia interfejsów użytkownika, by zmaksymalizować poczucie, że dany interfejs jest znajomy. „Jeśli możemy sprawić, że nasz sprzęt jest łatwiejszy w użyciu, to możemy sprawić, że inżynierowie będą spędzać większą część czasu koncentrując się na projektach, nad którymi pracują” - powiedział Odhner.

Być może najważniejszym czynnikiem, poza samą znajomością sprzętu, jest wielkość ekranu. Im jest on większy, tym łatwiej jest odkrywać problemy w badanych urządzeniach. Korzystanie z oscyloskopu jest też łatwiejsze jeśli zastosuje się ekrany dotykowe, które typowo są implementowane w przypadku aparatury z co większymi ekranami. To dzięki nim nawigacja po menu jest prostsza i wygodniejsza.

Wybór nie dotyczy tylko samego oscyloskopu

Akcesoria - to kolejny element na liście, na który warto zwrócić uwagę. W przypadku oscyloskopów, akcesoria to przede wszystkim różnego typu sondy, których wybór będzie miał znaczący wpływ zarówno na dokładność pomiarów, jak i na bezpieczeństwo operatora. Różnego rodzaju sondy stosuje się do różnych, specyficznych zadań, takich jak np. debugowanie złożonych obwodów elektronicznych lub pomiary integralności sygnałów w przypadku szybkich magistral szeregowych.

Jakie znaczenie ma marka?

Niektórzy producenci mają bardzo dobrą reputację. Możliwość wybrania produktów którejś ze znanych marek to atrakcyjna propozycja, która gwarantuje, że sprzęt będzie łatwiejszy w użytkowaniu, bardziej niezawodny, a pomoc techniczna będzie realizowana na najwyższym poziomie. Przykładowo, firmy Tektronix i Keysight są dobrze znane ze względu na produkty niezwykle wysokiej jakości, a także z powodu roli wiodących od lat innowatorów na rynku technologii oscyloskopowych.

O ile wielkie marki często oferują wyjątkowe cechy sprzętu, to również panuje przekonanie, że dobra reputacja wiąże się z dużymi kosztami produktów. Jednak, nawet w przypadku projektów, w których budżet jest mocno ograniczony, powyższe przekonanie wcale nie musi być powodem odejścia od dobrze znanej marki. „Istnieje zapotrzebowanie na niedrogie, ale wydajne oscyloskopy, stosowane przede wszystkim na uniwersytetach. Chodzi o sprzęt, który potrafi wyświetlić przebieg czasowy na ekranie. Jednak w urządzeniach tych zazwyczaj nie potrzeba żadnych niezwykle zaawansowanych funkcji” - mówi Hoffman. Przykładowo, w ofercie firmy Keysight znaleźć można oscyloskopy, których ceny zaczynają się już od 500 dolarów. Oznacza to, że tak naprawdę sama klasa marki nie decyduje o cenie. Zamiast tego trzeba zastanowić się, czy dany producent jest w stanie sprostać potrzebom przy zadanym pułapie cenowym.

Użyj PC zamiast oscyloskopu

Innym rozwiązaniem jest sięgnięcie po oscyloskop bazujący na komputerze PC. W praktyce jest to zazwyczaj dosyć standardowy oscyloskop, w którym komputer osobisty jest używany jako wyświetlacz. Korzyści takiego rozwiązania to przede wszystkim zwiększona mobilność. Stosując oscyloskopy PC można pracować z domu, a dane przechowywać w ogromnej pamięci komputera. Warto też zwrócić uwagę na dostępność dużych wyświetlaczy ekranów komputerowych.

Jednym z wiodących producentów oscyloskopów PC jest firma Pico Technology. Odkryła ona, że takie rozwiązania stały się bardzo popularne na uczelniach wyższych. Mike Purday, Regional Manager (EMEA) w Pico Technology powiedział: „Uniwersytety zaczęły traktować oscyloskopy w ten sam sposób, jak podręczniki - dając je studentom. Możesz teraz mieć swój własny oscyloskop, który dostaniesz na czas nauczania danego przedmiotu, co jeszcze kilka lat temu byłoby zupełnie niewyobrażalne.” Kolejną znaczącą i atrakcyjną cechą omawianego sprzętu jest wygoda użycia. „Mogę po prostu spakować mój PicoScope wraz z laptopem na czas podróży czy pracy zdalnej. Oczywiście nie da się tak zrobić z tradycyjnym oscyloskopem biurkowym” - powiedział Purday.

O ile firma Pico jest dobrze znana jako specjalizująca się w oscyloskopach PC, niektórzy producenci oscyloskopów biurkowych również zaczęli oferować modele wymagające podłączenia do komputera. Keysight ma teraz w swojej ofercie dwukanałowe oscyloskopy o pamięci mieszczącej 4 miliony próbek i szybkości próbkowania równej 5 GS/s, gdzie czas narastania to 450 ps.

Najlepsze podejście podczas wyboru 1-gigahercowego oscyloskopu

Łatwo jest skoncentrować się na liczbach w kartach katalogowych, ale czysta wydajność techniczna niekoniecznie jest najważniejszym czynnikiem. Prostota użytkowania, wsparcie techniczne, obsługa i warunki gwarancji, dostępność akcesoriów oraz marka - to również istotne czynniki, z których wszystkie powinny być wzięte pod uwagę. Jednak, zdobywając odpowiedni produkt, nic nie zastąpi wagi własnego doświadczenia.

„W Internecie możesz znaleźć wszystkie potrzebne informacje, ale tak naprawdę, nic nie przebije możliwości praktycznego przetestowania produktu. Niektóre z tych urządzeń kosztują przecież tyle co nowy samochód, dlaczego więc by nie spróbować wziąć taki oscyloskop na przysłowiową przejażdżkę?” - powiedział Hoffman. Wielu producentów, a także dystrybutorów świadczących usługi wysokiej jakości, takich jak np. Farnell, oferuje klientom możliwość praktycznego przetestowania produktów przed zakupem. Ponadto w ich ofercie znajduje się też kompletny wybór dodatkowych usług i pomoc w wyborze aparatury. Skorzystanie z tych wszystkich usług to świetny pierwszy krok do wyboru odpowiedniego oscyloskopu, spełniającego twoje potrzeby.