Detta skall du titta på när du väljer oscilloskop

Introduktion

För många tekniker är det besvärligt och mödosamt att välja ett nytt oscilloskop. - det finns hundratals olika modeller att välja på med vitt skilda specifikationer och priser. Denna artikel, skriven av Alan Tong, teknisk chef och utvecklingsansvarig på Pico Technology, leder dig förhoppningsvis här genom en labyrint av överväganden och möjliga misstag. 

Gör saker i rätt ordning

Första steget i valet av oscilloskop är inte att titta på annonser och specifikationer, utan istället att lägga ned tid på att tänka igenom vad man egentligen behöver, som vad man ska använda det till och var man skall använda det. Ska du använda det i labbet, hos en kund eller under huven på en bil.

• Hur många samtidiga signaler behöver du mäta?
• Vad är max- och min- amplitud du behöver mäta?
• Vilken är den högsta fekvensen?
• Mäter du repetitiva signaler eller transienter och engångsförlopp?
• Behöver du analysera signalerna både i tidsdomän och frekvensdomän, (spektrumanalys)?

Beväpnad med ovanstående kunskaper kan du börja titta på vilket oscilloskop som bäst motsvarar dina behov.

Analogt eller Digitalt

Denna artikel handlar främst om Digitala Minnes, (Storage),Oscilloskop (DSO-er) eftersom de är merparten av nya oscilloskop som köpes idag, men det är lämpligt att börja med analogteknik eftersom det är basen för teknologin. De flesta elektroniktekniker har använt ett analogt oscilloskop någon gång och är vana vid deras utseende och användning. Många som köper idag byter ju ut ett analogt- mot ett digitalt oscilloskop.

Trots att det fortfarande finns tekniker som älskar känslan och utseendet, (och värmen), från ett analogt oscilloskop, är det få om ens några funktioner som inte är bättre i ett DSO
Om du ändå är sugen på ett analogt skop är valet mycket begränsat, de som finns på markanden bygger på gammal teknologi och har ofta mycket begränsade prestanda.

Att köpa ett begagnat analogt skop kan i början synas vara ekonomiskt, men innan du gör det bör du kontrollera hur det är med tillgång på reservdelar, eftersom höga reparationskostnader snabbt kan göra köpet oekonomiskt.

Det är många andra kriteria som har stor betydelse i valet mellan analogt och digitalt.

Digitala oscilloskop:.

• är små och bärbara
• har största bandbredden
• har möjlighet att fånga transienter och engångsförlopp
• har färgskärm
• erbjuder mätningar på skärmen
• har enkelt användargränssnitt
• erbjuder lagring och utskrifter
• kan fånga händelser före triggpunkten

Moderna DSO-er kan med sin datoranslutning totalintegreras i ATE-system, (Automatic Test Equipment). Dessutom användes ofta ett DSO som ingångsenhet till ett snabbt datainsamlingssystem, vilket gör kostnaden per kanal mycket fördelaktig.

Bandbredd

Det första man måste beakta är bandbredden. Denna kan definieras som den högsta frekvens som ingångsförstärkarna klarar. Av detta följer att den analoga bandbredden för ditt skop måste vara större än max-frekvensen du vill mäta. (Realtid).

Enbart bandbredd säkerställer inte att ditt skop kan klara av en hög frekvens. Alla oscilloskoptillverkare strävar efter att få ett specifikt frekvenssvar med sin konstruktion. Detta frekvenssvar kallas "Maximally Flat Envelope Delay" (MFED). Ett sådant frekvenssvar ger excellent pulsåtergivning med minimal översväng, undersväng och ringning. Men eftersom ett DSO består av förstärkare, dämpare, A/D-omvandlare inre ledningsdragning och reläer är MFED-svar ett mål som kan närma sig men aldrig uppnå.

Det är värt att notera att de flesta tillverkarna av DSO-er definierar bandbredd som -3 dB gränsen, dvs den frekvens där en ren sinussignal dämpas till 71% av sitt ursprungsvärde. Eller annorlunda uttryckt tillåter man att signalen ger ett amplitudfel på 29%.

Man måste också komma ihåg att om signalen inte är en ren sinusvåg, vilket den sällan är, innehåller den övertoner med högre frekvens. T.ex.en 20MHz ren fyrkantvåg som mätes med ett skop med 20MHz banbredd visas som en dämpad och distorderad vågform. Som en tumregel kan man säga att man bör köpa ett skop med minst fem gånger högre bandbredd än frekvensen på den signal man vill mäta. Olyckligtvis är bredbandiga oscilloskop dyra så du måste kanske kompromissa här.
Vissa oscilloskop klarar inte den specificerade bandbredden för alla mätområden, så kontrollera databladen noggrant.

Samplingshastighet

Med analoga skop var livet enkelt, du valde bara den bandbredd du ville ha. För DSO-er är samplingshastighet och minnesdjup lika viktiga. För DSO-er är samplingshastigheten vanligen specificerad i mega sampel per sekund (MSa/s) eller giga sampel per sekund (GSa/s). Nyquistkriteriet säger att samplingshastigheten måste vara minst dubbla maximala mätfrekvensen: För en spektrumanalysator är detta sant men för ett oscilloskop krävs åtminstonde 5 sampel för att noggrant avbilda en vågform.
De flesta DSO-er har två olika samplingshastigheter (samplingsmoder) beroende på den signal man mäter, nämligen realtid och ekvivalent tidssampling (ETS) - som ofta kallas repetitiv sampling. ETS fungerar emellertid bara om den mätta signalen är stabil och repetitiv, eftersom denna mod arbetar med att bygga upp vgformen av flera succesiva mätningar.

Pico Technology 12-bitars ADC-212/100 samplar med 100MSa/s realtid och med 5GSa/s för repetitiva vågformer. Figur 1a visar 20MHz fyrkantvåg fångad med 50MSa/s - nästan oltydbar jämförd med samma kurva i Figur 1b,fångad med 5GSa/s. Visserligen låter 5GSa/s , fantstiskt men kom ihåg att om signalen är en sammansatt signal, (t.ex en videosignal) fungerar inte ETS så du måste mäta med realtidsmod vilket reducerar mätbandbredden avsevärt

Ett litet varningsord:
oscilloskoptillverkare vill gärna framhålla de specifikationer som låter bäst, så du bör titta noga på dem och och undersöka om de specificerade egenskaperna gäller alla signaler eller enbart repetitiva. Du kanske då finner att det skop du tänkt köpa inte klarar dina önskemål och krav.

För några oscilloskop ändras samplingshastigheten beroende av antal kanaler i användning. Typiskt kan samplingshastigheten vara dubbelt så hög i enkanal-mod som i tvåkanal-mod:Återigen kontrollera specifikationen noggrannt.

Minnesdjup

Hur minnesdjupet påverkar egenskaperna hos DSO-er är kanske det som man förstår sämst samtidigt som det är en av de viktigaste.

DSO-er lagrar de fångade samplen iett buffertminne så, för en given samplingshastighet bestämmer buffertminnets storlek hur länge en signal kan fångas innan minnet är fullt.

Förhållandet mellan samplingshastighet och minnesdjup är viktigt; ett skop med en hög samplingshastighet men litet minne kan bara utnyttja sin fulla samplingshastighet på några få av de allra högsta tidbaserna. Figur 2a visar 200µs av en videosignal fångad med 1K buffertminne. Med 1K buffertminne är man begränsad till 5MSa/s (1K / 200us) fastän skopet i sig kan gå upp till100MSa/s.

Vid första påseendet, ser det ut som att signalen är tillfredsställande fångad. Men det lilla buffertminnets begränsningar avslöjas när man zoomar in på detaljer, t.ex på färggruppssignalen.(Figur 2b). Färggruppssignalen (svängningarna vid basen av 'stegen') varar omkring 5µs så de representeras bara av 25 punkter i minnet, bra för normal visning, men, när vi zoomar in, fyller dessa få punkter skärmen helt.

Figur 2c visar samma färggruppssignal men denna gång fångad med ett skop med 128K buffertminne. Vi har nu mer en 3000 punkter för att avbilda färggruppssignalen med en kraftig skillnad i resultatet

Exempel från verkligheten

För att förklara förhållandet mellan bandbredd, samplingshastighet och minnesdjup betraktar vi ett exempel från verkliga livet.. Betrakta fångandet av en ram av USB (1.1) data. En ram av data varar 1ms och har seriedata som överförs med 12Mbps. För att förenkla analysen kan vi anta att vi måste fånga en 12MHz fyrkantvåg under 1ms.

• Bandbredd - för att mäta en signal med 12MHz, krävs ett absolut minimum av 12MHz, men detta ger en väldigt distorderad signal så ett oscilloskop med minst 50MHz bandbredd verkar vettigt.
• Samplingshastighet - för att avbilda en 12MHz signal, behöver vi minst 5 punkter per vågform, så en minsta samplingshastighet på 60MSa/s krävs.
• Minnesdjup - för att fånga data vid 60MSa/s under 1ms krävs minimum minnesdjup av 60,000 sampel=>64 kb.

Upplösning och noggrannhet

I digital elektronik, ger en signaländring på1% vanligen inga problem, men i audioelektronik, kan 0.1% distortion eller brus vara katastrofalt. De flesta moderna DSO-er optimeras för mätning av snabba digitala signaler och erbjuder bara 8 bitars upplösning (8 bitars A/D-omvandlare), och kan följdaktligen bara avbilda en signaländring på 0.4% (se tabell).

Med 8 bitar delas spänningen in i 256 vertikala steg (2^8 = 256). Med ett valt pmråde på +/-1V,ger detta ca 8mV per steg. Detta kanske är tillräckligt för att visa digitala signaler men lämnar en hel del i övrigt att önska för att visa analoga signaler,speciellt när man använder spektrumnalysatorn (om den finns med).
För andra applikationer t.ex.audio, brus, vibration och övervakning av givare och sensorer (temperatur, ström, tryck) är ett 8 bitars oscilloskop vanligen inte tilllräckligt och du skulle behöva ett 12 eller 16 bitars alternativ.

När det gäller DSO-ers noggrannhet, är den vanligen inte så viktig. Du kan göra mätningar med med några procents noggrannhet (de flesta 8 bitars DSO-er har 3% till 5% DC noggrannhet) men för noggrannare mätningar krävs en multimeter.

Med ett högupplösande oscilloskop är noggrannare mätningar möjliga, (1% eller bättre) så då behöver du inte en multimeter.

Oscilloskop med både hög upplösning (12 bitar eller mer) och en hög DC noggrannhet kallas ibland för precisionsoscilloskop
se på Högupplösande oscilloskop och FFT spektrumanalysatorer.

Triggningsegenskaper

Ett oscilloskops triggfunktion synkroniserar horisontalsvepet med rätt punkt på signalen: vilket är viktigt för tydlig signalåtergivning
Triggningskontrollerna gör att du kan stabilisera repetitiva vågformer och fånga transienter och engångsförlopp. Beroende på vilken signaltyp du vill undersöka, är det värt att titta på vilka triggermöjligheter som erbjuds av olkia tillverkare. Alla digitala oscilloskop har i stort sett samma basalternativ för triggning (källa, nivå, lutning, pre/post trigger) men skiljer sig åt för de mer avancerade triggerfunktionerna. Om de behövs eller ej beror på vilka signaler som skall mätas. Pulstriggning behövs för digitala signaler, och en funktion för automatisk spara till disk/minnesoption kan vara till stor hjälp för att spåra intermittenta fel.

Några mer applikationsspecifika triggningar (test av hårddisk, till exempel) finns ofta som tillval mot extra kostnad och installeras som uppgradering av programvara eller inbyggt program. Om du tror att du behöver någon eller några av dessa tillval till extrakostnad skall
du inte tveka att förhandla med försäljaren. Det är inte ovanligt att att ett sådant tillval kan fås på köpet.

Mätområden & Prober

Ett typiskt oscilloskop har valbara mätområden mellan +-50mV och +-50V. Eftersom högre spänningar kan mätas med prober med dämpning 10:1 och 100:1 , är det viktigaste att kontrollera att det lägsta mätområdet klarar de lägsta spänningar du vill mäta. Om du oftast mäter små signaler, (under 50 mV) skall du nog fundera på att köpa ett skop med 12 eller 16 bitars upplösning. Ett 16 bitars hskop ar 256 gånger bättre vertikal upplösning än ett 8-bitars, [gör det möjligt att att 'zooma in' på millivolt och mikrovolt signaler].

Kontrollera att de prober du tänker köpa har minst samma bandbredd, eller bättre än oscilloskopet du vill köpa. Många tillverkare gör besparingar genom att leverera standard prober och tar extra betalt för prober som matchar oscilloskopets bandbredd. De flesta prober kan kopplas om mellan 1:1 och 10:1 dämpning. Överallt där det är möjligt, använd prober med 10:1 dämpning eftersom detta minskar belastningen på kretsen du mäter på och minskar risken för oavsiktlig inkoppling av högspänning, som annars kanske förstör oscilloskopet.
För mycket snabba signaler (>200MHz), orsakar passiva prober problem på grund av kapacitans i kablarna till skopet. Du löser detta genom att investera i en aktiv FET-probe, som har en buffertförstärkare i probspetsen. För att mäta högspänning, >100V, huvudspänning och 3-fas spänningar, är det säkrast att använda isolerande differentialprobar.

Formfaktor

DSO-er kan i stort sett delas in i 3 kategoreier; traditionella bordsskop, handburna och PC-baserade..

Ett digitalt bordsoscilloskop, som byggts för ett speciellt ändamål kommer vanligen att ha bäst prestanda, och det kommer att synas i skopets pris. Funktioner som som FFT spektrumanalysator, PC gränssnitt, diskenheter och skrivare brukar bli ganska dyra tillval.

Handburna oscilloskop har tydliga fördelar för en tekniker som är mycket ute på serviceuppdrag, men se upp för dåliga displayer (svåra att avläsa i solsken) och kort batteritid. För en given prestanda tenderar de att bli det dyraste alternativet.

PC-baserade oscilloskop växer i popularitet eftersom de ger en markant kostnadsbesparing jämfört med motsvarande bänkoscilloskop.. Skälet för denna kostnadsbesparing är tydlig; genom att använda sig av den massproducerade PC-n, som du för det mesta redan har, med dess stora färgskärm, snabba processor, diskenheter och tangentbord är det i stort sett gratis. Möjligheterna att exportera data till ordbehandlingsprogram och kalkylblad t.ex med några musklick är en stor fördel.

PC-baserade oscilloskop finns i 2 varianter;: externa och interna. Interna PC baserade oscilloskop levereras vanligen som "plug-in"kort i PCI-format. Teoretiskt borde detta vara det billigaste alterativet men det visar sig inte alltid vara sant. Största nackdelen med PC kort
är bruset - insidan av en PC kan vara en mycket brusig elektrisk miljö som vissa kort lider av..En annan fråga är flyttbarheten, oscilloskop baserade på PC kort är bundna till en enda bordsdator.

Externa PC-baserade oscilloskop är byggda i en liten låda, som anslutes till PC via antingen USB eller parallellporten. Genom att hålla all analog elektronik på utsidan av PC-n undviker man problemet med brus. En annan fördel med externa PC-baserade oscilloskop är flyttbarheten - de kan anslutas till både borsdatorer och bärbara datorer och flyttas emellan.

Summering

Liksom dinosaurierna är det analoga oscilloskopets dagar förbi. DSO-ernas kostnad och prestanda gör att de är här för att stanna. Det återstår bara att besluta vilken typ man skall köpa.

När du skall välja mellan olika oscilloskop, tänk på följande:

• Prova innan du köper - och var inte rädd att jämföra olika oscilloskop från olika tillverkare. Om en en leverantör inte erbjuder dig pengarna tillbaka om du inte är nöjd, bör du inte köpa från dem alls.
• För dyrare oscilloskop skall du begära demonstrationer och försäkra dig om att de aktuella signalerna användes och inte signaler som enbart framhåller oscilloskopets goda sidor.
• När du köper ett oscilloskop ska du ta reda på vad som ingår i priset och vilka uppgraderingar som erbjudes och vad de eventuellt kostar. För PC-baserade oscilloskop skall du försäkra dig om att programmen ingår och fråga om du måste betala för uppgraderingar av programmvaran. För bordsoscilloskop skall du kotrollera att anslutningskablar och program ingår för anslutning till PC/skrivare - det kan annars medföra 50%-iga prisökningar.
• Kontrollera garantitidens längd. Om din enhet går sönder, lånar leverantören ut ett instrument under reparationstiden?
• Slutligen, tiita på internet efter oberoende artiklar och översikter om oscilloskop. En sökning efter "oscilloscope review" på google.com är en bra startpunkt.

Sammanfattningsvis och i rangordning är det, Bandbredd, Samplingshastighet (Real-tid och/eller Ekvivalent tid) och slutligen Minnesdjup.Kom ihåg att bandbredd och samplingshastighet inte kan uppgraderas för de flesta DSO-er, så när du väl betalat, kanske upp till $60,000 (€70,000) är du fast med ditt val.