Обзор карманного осциллографа DSO150: на что способна «игрушка»?

На китайских площадках можно встретить довольно много разновидностей цифровых осциллографов начального уровня по цене до $50. Можно найти эти же модели и в российских торговых точках; правда, по цене на 50-200% выше. :)

Конечно, это не могут быть серьёзные модели для профессионалов; но давайте разберёмся, совсем там всё плохо, или не совсем?!

А в качестве примера рассмотрим популярный карманный осциллограф DSO150. Кстати, он известен также под именами DSO Fnirsi 150, DSO Shell и DSO 150, — это всё синонимы.

Изображение — с официальной страницы продавца (как выяснится позже, это не совсем то же самое, что с сайта производителя). Все картинки в обзоре — кликабельны.

Обзор начнём, как всегда, с технических характеристик.

Технические характеристики одноканального цифрового осциллографа DSO150

 Осциллограф продаётся на Алиэкпресс в нескольких вариантах.

Один вариант — в полностью собранном и «готовом к употреблению» виде; второй вариант — в виде деталей корпуса, плат и россыпи деталей для пайки; и третий вариант — детали корпуса и платы с напаянными деталями. Я выбрал последний вариант, в котором нужно просто правильно всё собрать воедино без пайки (лень, знаете ли).

Приобрёл я всё это здесь.

Цена такого комплекта на дату обзора с доставкой в Россию — около 1300 российских рублей ($20).

Упаковка, состав комплекта, сборка и внешний вид осциллографа DSO150

 Осциллограф прибыл в пенопластовой коробке, добросовестно обмотанной плёнкой и скотчем. Так она выглядит после освобождения от внешних покровов:

Пенопласт — это хорошая защита от неприятностей в пути; внутри ничего не пострадало.

В самой коробке оказался такой набор деталей для сборки:

Сборка прошла не совсем гладко.

Очень не хотела налезать на свою ось ручка энкодера. Пришлось применить грубую физическую силу (это помогло её одеть, хотя и не совсем до конца; было страшновато что-нибудь сломать).

Возможно, более лучшим вариантом было бы применение паяльного или косметического фена для разогрева оси и ручки (но осторожно, чтобы не подплавить пластиковые детали).

Кроме того, не удалось настолько точно подогнать верхнюю крышку и дно, чтобы между ними совсем не было зазора. Правда, оставшийся зазор в полмиллиметра можно даже назвать декоративным.

Давайте посмотрим на результат сборки.

Вид сверху:

 Вид снизу:

Два вида по диагонали:

Вид со стороны нижнего торца:

Здесь расположен разъём для подключения источника питания и ползунок включения/выключения осциллографа.

Вид со стороны верхнего торца:

Здесь (на вехнем торце) — ползунок переключения входа (закрытый / открытый / земля), плоский контакт напряжения калибровки 1 кГц, и, собственно, разъём BNC для подачи сигнала.

В целом вид осциллографа получился довольно-таки благопристойным, и особо не напоминает «игрушку» или учебно-тренировочный экземпляр (как его исторический предшественник DSO138 в прозрачном корпусе или вообще в бескорпусном виде).

Также корпус хорошо закрыт от проникновения мелких внешних предметов и загрязнений (в отличие, например, от DSO188).

А вот что не есть хорошо — это необходимость во внешнем питании (встроенного аккумулятора нет). Правда, внутри осциллографа есть ещё свободное место, чтобы там разместить аккумулятор и необходимую «обвязку», но это — не для таких ленивых, как я. Обсуждение способов установки внутреннего питания есть на форуме официального производителя (JYE Tech).

Печатные платы и схема осциллографа DSO150

Вот наконец-то мы подошли и к электронной «начинке» нашего осциллографа.

Эта начинка состоит из двух плат: аналоговой и цифровой.

Аналоговая плата — небольшая. но весьма насыщенная компонентами:

Здесь радует, что маркировка всех элементов оставлена читаемой, и даже продублирована надписями на плате. Бывает, что отдельные особо бессовестные китайские производители — наоборот, тщательно затирают маркировку, чтобы затруднить ремонт изделий. Но здесь — не тот случай, к счастью!

Более того, ещё и принципиальные схемы можно скачать с официальной страницы осциллографа на сайте производителя (внизу страницы, в разделе «Documents»). Это вообще уже можно приравнять к чуду!!!

Основной элемент на плате — счетверённый операционник TL084C со входами на полевых транзисторах. Он отвечает за приём и усиление сигнала.

Обеспечивают переключение масштабов усиления два аналоговых коммутатора: HC4053 и HC4051.

Все перечисленные выше микросхемы требуют двухполярного питания, а запитывается устройство однополярным. Соответственно, создаёт отрицательную полярность для внутреннего питания преобразователь ICL7660, а стабилизируют питание 78L05 (+5 В) и 79L05 (-5 В).

За подстройку входной ёмкости отвечают зелёные триммеры в верхней части платы (необходимо для корректного отображения фронтов сигналов). Инструкция по настройке есть в прилагаемом бумажном документе (настраивать надо, естественно, до установки плат в корпус; или в корпусе, но без заглушки верхнего торца).

 Теперь изучим цифровую плату, сначала — вид со стороны экрана:

 Здесь — ручка энкодера, кнопки и экран. Шлейф экрана под ним припаян прямо к плате. Это затруднит смену экрана, если Вы его «грохнете». Правда, после сборки осциллографа сделать это будет довольно трудно, т.к. экран расположен в углублении. Но аккуратность в обращении не отменяется.

Экран не имеет регулировки яркости, но его яркость настроена на некий средний уровень, достаточный для комфортной работы в типовых условиях применения.

Углы обзора экрана — разные по вертикали и по горизонтали.

По горизонтали угол обзора — не широкий, даже при небольших поворотах вправо-влево экран заметно бледнеет.

При поворотах вверх-вниз, наоборот, изображение остаётся ярким и контрастным даже при больших поворотах.

Вид цифровой платы со стороны элементов значительно интереснее:

Здесь сначала обратим внимание на важный организационный момент: в белой рамке, расположенной в левом нижнем углу, должен быть номер платы, но его там нет!

В соответствии с инструкцией производителя «Как отличить не оригинальный осциллограф от оригинального» (ссылка) делаем вывод, что данный экземпляр — не оригинальный.

Что из этого следует? Следует, что его прошивку вряд ли получится обновить. В лучшем случае, новая прошивка просто не установится (производитель не даст код для её установки), а в худшем осциллограф может «окирпичиться». Можно ли жить с той прошивкой, какая есть — разберёмся.

Вернёмся к плате.

Здесь видим «сердце» осциллографа — аналого-цифровой процессор STM32F103C8T6.

Рядом с ним расположен кварц на 8 МГц; но процессор имеет собственный умножитель частоты и работает на частоте 72 МГц. Это — не много, но зато на низкой частоте и потребление энергии меньше.

Процессор сделан по принципу «всё-в-одном»: ОЗУ и ПЗУ тоже находятся в процессоре. Он же формирует изображение для отправки на дисплей.

Кроме процессора, на плате есть ещё две «микрухи»: флеш-память с последовательным интерфейсом и линейный стабилизатор на 3.3 В, который обеспечивает процессор питанием.

Чтобы окончательно прояснить ситуацию с версией ПО (прошивки), посмотрим на фотку экрана в момент загрузки осциллографа:

Таким образом, осциллограф работает под прошивкой версии 062. Эта версия — не последняя, но довольно отработанная и сильными глюками удивлять не должна.

Тестирование осциллографа DSO150

С механикой и схемой разобрались, переходим к практическому тестированию. Для тестирования использовался генератор FY6800.

Начнём с элементарного и стандартного: синус, 1 кГц, размах 5 В (стандартнее не придумаешь!):

 Обращаем внимание сначала на множество параметров, измеряемых осциллографом в реальном времени, прямо по ходу сигнала.

Кроме результатов измерений, осциллограф показывает собственные режимы работы (сверху над осциллограммой и снизу под ней).

Если данные измерений мешают наблюдать форму осциллограммы, то их можно убрать с экрана.

А теперь — заценим точность измерения.

Размах напряжения (Vpp) осциллограф показал в 5.15 В. Это — хороший результат, поскольку укладывается в заявленную погрешность 5%. Правда, при снижении амплитуды сигнала и точность снижается, но это соответствует теории вопроса.

А теперь посмотрим на частоту. Осциллограф показал 973.303 Гц. Для измерения частоты такая точность просто никуда не годится.

Проверка замера частоты при другом масштабе по времени показала гораздо более приличный результат:

 Здесь осциллограф замерил частоту абсолютно точно: 1 кГц.

Вероятнее всего, расчет частоты аппарат ведёт примитивно, по числу пересечения сигналом уровня триггера за период, равный наполнению буфера. Чем больше периодов влезает в буфер, тем и замер частоты получается точнее.

Идём далее.

Проверка полосы частот по уровню минус 3 дБ показала результат, примерно соответствующий заявленному в параметрах: около 220 кГц.

Теперь подаём прямоугольник 20 кГц и проверяем фронты:

В целом фронты «прямоугольника» можно оценить, как хорошие. Но есть и интересная особенность: отрицательный фронт — более крутой, чем положительный; который имеет довольно плавное «скругление» вверху.

Аналогичные эффекты будут наблюдаться и на других осциллограммах «классического» ряда:

Теперь перейдём от теории к практике и посмотрим пару реальных осциллограмм.

В качестве объекта испытаний был выбран импульсный блок питания, дающий напряжения + 5 и +12 В с током выхода 3 А по выходу +5 В и 2 А по выходу +12 В.

Напряжение снималось с отвода импульсного трансформатора, идущего к выпрямителю напряжения +5 В.

 Вариант 1, блок питания без нагрузки:

Вариант 2, с нагрузкой 1 А по выходу +5 В:

По осциллограммам можно оценить частоту работы преобразователя импульсного блока питания (составила чуть выше 50 кГц) и величину импульсов прямого и обратного хода.

Смотреть частоту сигнала по показаниям измерений самого осциллографа для сигналов такой сложной формы бесполезно — он может показать всё, что угодно (причём вполне законно).

По итогам этой главы надо сказать, что электрические процессы с частотой около 50 кГц — это предел, когда можно реально отследить форму сигнала с помощью этого осциллографа. Для более высоких частот на период сигнала будет приходиться слишком мало отсчетов, чтобы судить о его реальной форме.

Стробоскопический эффект

Пользователи цифровых осциллографов уже, вероятно, знают об этом интересном эффекте. Но тех для любителей и профессионалов, кто пока пользовался только аналоговыми «трубчатыми» осциллографами, это может оказаться новостью. :)

Кстати, аналоговые осциллографы — это не анахронизм, они до сих пор с успехом производятся и используются (пример на Алиэкспресс). Но, конечно, отсутствие в них математической обработки, а также большой вес и габариты не способствуют их популярности.

Начну подход к проблеме издалека. В Википедии, в статье «Осциллограф» (ссылка), есть интересный пассаж о недостатках цифровых осциллографов (подчёркнут):

Данная проблема (отображение несуществующих сигналов вместо реальных) возникает из-за стробоскопического эффекта.

Возникают стробоскопические эффекты тогда, когда количество отсчетов сигнала на период становится слишком малым.

Согласно классической для радиотехники теореме Котельникова, любой сигнал может быть абсолютно точно восстановлен, если частота его дискретизации хотя бы в два раза превосходит верхнюю частоту в спектре сигнала.

Но это действительно, условно говоря, для сигналов бесконечной длины и после обработки соответствующими алгоритмами, а не в режиме реального времени.

А в режиме реального времени сигнал «теряет форму» настолько серьёзно, что становится совсем не похож сам на себя.

Так, например, показывает наш осциллограф синусоиду с частотой 246 кГц:

Наблюдатель видит на экране несуществующий амплитудно-модулированный сигнал. На самом же деле на осциллограф подана чистейшей воды синусоида.

Иногда даже опытные обзорщики пишут, что на высокой частоте какой-либо осциллограф показывает сигнал с испорченной формой, скачущей амплитудой и т.п. На самом же деле такое отображение сигнала может быть вполне законным с физической и даже с геометрической точки зрения.

Поскольку при переключении на осциллографе масштаба по оси времени меняется и его частота семплирования, то пользователь может увидеть эти эффекты и на довольно низких частотах.

Например, следующая осциллограмма сделана при частоте прямоугольного сигнала 124 кГц; но из-за того, что частота семплирования при масштабе 0.2 мс/деление снизилась до 50 кГц, сигнал на экране выродился в прямоугольник с частотой 1 кГц:

Наблюдателю будет казаться. что он видит прямоугольный сигнал с частотой 1 кГц; и только неестественно-затянутые для такой частоты фронты будут подсказкой, что «что-то здесь не так».

Существование этого эффекта надо учитывать при работе с цифровыми осциллографами (т.е. правильно подбирать параметры горизонтальной развёртки).

Этот эффект может использоваться и с пользой: существуют специальные стробоскопические осциллографы для исследования периодических процессов на СВЧ, но это уже далеко не «общегражданские» приборы.

 Заключение

Протестированный осциллограф — один из самых дешевых, такие обычно называют «игрушками» или «показометрами».

Тем не менее, он может использоваться и в серьёзных целях, если не ставить для него невыполнимых задач.

Например, для проверки и настройки усилителей класса D он не подойдёт: там частота импульсов ШИМ начинается от 400 кГц.

Зато для работы с «обычными» усилителями (класса A или AB) почти никаких препятствий нет; разве что он может не показать самовозбуждение усилителя, если оно случилось на высокой частоте.

Также можно использовать для работы с импульсными блоками питания с частотой ШИМ до 50 кГц ( а это, правда, не всегда бывает так; иногда даже в типовых контроллерах повербанков частота может быть до 100 кГц).

Одним словом — он подходит для работы с низкочастотными устройствами.

Из обнаруженных проблем прошивки надо отметить некорректную автоматическую установку уровня триггера при длительном удержании кнопки TRIGGER (уровень устанавливается не точно посередине размаха сигнала, а примерно на 10% от величины размаха выше).

Вторая проблема — «перевёрнутая» работа энкодера: происходит увеличение регулируемого параметра при вращении против часовой стрелки и уменьшение — по часовой. Привыкнуть к этому сложно, но можно. :)

И ещё надо отметить аппаратную проблему — нестандартное напряжение питания (9 В). У каждого из нас валяется дома гора стандартных адаптеров на 5 В; а на 9 В вряд ли у кого завалялось.

Как быть? Можно купить адаптер на 9 Вольт, можно подключить батарейку или аккумулятор на 9 Вольт («Крона»), можно приобрести DC-DC преобразователь с 5 В до 9 В, можно (кому не лень) встроить аккумулятор внутрь осциллографа (как описывают на форумах). Выход есть!

Описанный в обзоре осциллограф приобретён на Алиэкпресс здесь.

 Спасибо за внимание! 

Автор Hans-Kristian

https://www.ixbt.com/live/instruments/karmannyy-oscillograf-dso150-na-chto-sposobna-igrushka.html