Mały, prosty oscyloskop

Jakiś czas temu opublikowałem recenzję zestawu, z którego można złożyć prosty oscyloskop. Wszystko byłoby w porządku, gdyby nie bardzo ograniczona częstotliwość mierzonego sygnału. Nie powiem, że opisywany tu przyrząd jest o wiele lepszy, ale deklarowane pasmo przenoszenia sięga 4 MHz.
Zobaczmy, co to takiego i jak działa :)



Ten oscyloskop od początku jest pozycjonowany, nawet na stronie sprzedawcy, jako sprzęt do nauki, czyli przeznaczony dla początkującego użytkownika bez przygotowania, który jest daleki od obsługi bardziej „wypasionych” modeli i może się w nich pogubić.

Na początek dane techniczne. Z góry przepraszam za miejscami koślawe tłumaczenie.
Częstotliwość próbkowania: 20MSa / s
Analogowe pasmo przenoszenia: 4 MHz
Rozdzielczość próbkowania: 8 bitów
Rozmiar pamięci: 650 bajtów
Czułość pionowa: 10 mV / działkę ~ 5 V / działkę (skokowo, w sekwencji 1-2-5)
Podstawa czasu: 1.5us / działkę ~ 6ms / działkę (skokowo, w sekwencji 1-2-5)
Wyświetlacz: 2,4-calowy TFT 320X240 (układ sterownika ILI9325)
Rezystancja wejściowa: 1MΩ
Maksymalne napięcie wejściowe: 40Vpp (sonda 1: 1), 400Vpp (sonda 10: 1)
Sygnał wejściowy: AC
Zatrzymanie przebiegu (funkcja HOLD)

Oscyloskop jest sprzedawany w kilku wariantach zestawu (orientacyjne ceny ze strony produktu):
1. Oscyloskop + kabel zasilający USB - $17.40
2. Oscyloskop + kabel zasilający + sonda - $20.09

Można też kupić osobno:
3. Sonda 40 MHz - $2.69
4. Kabel BNC-BNC + BNC + krokodylki - $1.74

Zamówiłem wariant numer dwa. W rezultacie dostałem dwie takie paczki.
Nawiasem mówiąc, oscyloskop zamówiłem u tego samego sprzedawcy co miernik LCR, dzięki czemu koszt wysyłki nieco spadł.


Ponieważ koszt wysyłki zależy od wagi, najpierw zważyłem zestaw z punktu 1, a potem pełny wariant z punktu 2.


Przejdźmy do oględzin, najpierw zawartość zestawu.
W dużej paczce znajdowały się sonda, kabel zasilający i różne drobiazgi. Opakowanie jest solidne, z „klapką”, więc wygodnie będzie później przechowywać w nim cały dodatkowy „majdan”.


Kabel zasilający ma z jednej strony standardową wtyczkę USB, a z drugiej okrągłą wtyczkę o średnicy 3.5 mm.
Sonda jest całkiem zwyczajna, kabel jest miękki.


W zestawie była instrukcja. Po jej przeczytaniu zrozumiałem, że zestaw jednak nie jest całkiem kompletny: brakuje specjalnego styku masy w postaci sprężynki i czterech kolorowych pierścieni. Pierścienie można przeboleć, ale szkoda tego dodatkowego styku, bardzo by mi się przydał :(


Sonda ma wbudowany dzielnik 1:10 z odpowiednim przełącznikiem. Styk masy jest zaizolowany, choć krokodylek jest dość „sztywny”.
Wyżej pokazałem instrukcję, według której moja sonda jest przeznaczona do częstotliwości do 40 MHz i napięcia do 600 V. Sam oscyloskop ma skromniejsze parametry, więc jest tu spory zapas.


Sondę można kompensować, ale ponieważ testowałem ją przy częstotliwościach znacznie niższych od granicznej, regulacja niczego nie zmieniała.
Do regulacji dołączono też śrubokręt, ale znacznie bardziej przydał mi się do obsługi oscyloskopu niż sondy. Trzeba jednak pamiętać, że śrubokręt jest dołączony do sondy, a nie do oscyloskopu. Nawiasem mówiąc, sonda jest bardzo tania, przynajmniej moim zdaniem — u nas w sklepach stacjonarnych kosztuje znacznie więcej.



A oto bohater recenzji.
Z wyglądu przypomina typowy szkolny projekt z kółka majsterkowiczów: prosta obudowa, choć zamiast banalnych naklejek zastosowano grawerowanie laserowe. Zresztą nie ma to większego znaczenia.


Na górze obudowy znajduje się kolorowy wyświetlacz o przekątnej 2.4 cala i rozdzielczości 320х240. Wyświetlacz w moim DSO203 jest większy zarówno pod względem rozmiaru, jak i rozdzielczości (400х240), choć różnica nie jest duża.
Po prawej stronie są przyciski sterujące. Obsługa jest maksymalnie prosta — nie ma tu żadnych menu, ustawień itp. Są tylko pięć przycisków:
1, 2. Napięcie wejściowe od 0.01 do 5 V na działkę. 9 poziomów.
3, 4. Podstawa czasu, od 1.5 µs do 6 ms na działkę, 12 poziomów.
5. Przycisk Hold po prostu zatrzymuje wskazania na wyświetlaczu. Jak się okazało, w niektórych sytuacjach to najczęściej używany przycisk.


Na górnej krawędzi obudowy umieszczono wejściowe gniazdo BNC, a także wyłącznik i gniazdo zasilania.
Przyrząd pobiera zaledwie około 150 mA, więc można zasilać go autonomicznie. Ponieważ jest jednak dość czuły, zaleca się użycie dwóch ogniw litowych i stabilizatora liniowego o małym spadku napięcia. W internecie szukajcie pod hasłem „Low Drop”.


Od spodu znajduje się otwór umożliwiający dostęp do potencjometru montażowego do ustawiania zera.


Konstrukcję rozbiera się bardzo łatwo: najpierw wykręcamy cztery wkręty od spodu.


Następnie odkręcamy cztery śruby od góry i wyjmujemy płytkę. W obudowie wywiercono otwór na złącze, dlatego płytkę trzeba wysuwać od strony otworu.


W środku widać płytkę oscyloskopu i dobrze znany wielu radioamatorom wyświetlacz. Jeśli się nie mylę, taki sam wyświetlacz zastosowano w DSO138.


Wyświetlacz trzyma się wyłącznie dzięki złączu, od góry dociska go obudowa, a od dołu są przylutowane dwa plastikowe wsporniki.


Sama płytka drukowana jest wykonana całkiem nieźle. Przy każdym elemencie podano nie tylko oznaczenie, ale też wartość, co zdarza się niezwykle rzadko. Wprost „marzenie serwisanta” :) Kiedyś nagrywałem film o tym, jak odczytać wartość spalonego rezystora — tutaj nie byłoby to potrzebne.


Sekcja zasilania i wejściowego wzmacniacza operacyjnego. Lutowanie jest całkiem niezłe, ale wygląda na to, że niektóre elementy wymieniano już po montażu — widać ślady topnika.


Obwody wejściowe i dzielniki sygnału. Niestety oscyloskop obsługuje tylko prąd przemienny, ale do większości zastosowań to w zupełności wystarcza.
Na wejściu znajduje się kondensator 330 nF 250 V.


Dzielnik wejściowy. Na płytce są przekaźniki kontaktronowe, a dzielnik ma 9 zakresów napięcia wejściowego. Pierwsze trzy przekaźniki pracują w obwodzie pierwszego wzmacniacza operacyjnego, a kolejne dwa — w obwodzie drugiego. Daje to 3×3=9 wariantów.


Potencjometr do ustawiania zera. Początkowo oscyloskop przyszedł z „pływającym” zerem. Ustawiłem je, ale praktyka pokazała, że zero lubi czasem „popływać”, więc śrubokręt przydaje się dość często.


Elementy oscyloskopu:
1. Wejściowy podwójny wzmacniacz operacyjny LM6172 o maksymalnej częstotliwości 100 MHz.
2. Przetwornik ADC ADS830E, maksymalna częstotliwość 60 MHz.
3. Asynchroniczny bufor FIFO o czasie dostępu nieprzekraczającym 12 ns.
4. Mikrokontroler Atmega16A, po lewej rezonator kwarcowy 20 MHz.
5. Zwykły układ logiczny.
6. Przetwornica napięcia 7660, wytwarzająca ujemne napięcie 5 V.
Na płytce jest też liniowy stabilizator napięcia 3,3 V, widoczny wyżej na zdjęciu.


Od spodu lutowanie jest wprawdzie całkiem dobre, ale topnika jest naprawdę dużo.


Oprócz wartości elementów na płytce podano też schemat ideowy. Niestety w wersji z innym zasilaniem. Tutaj za zasilanie odpowiada nie układ 7660, lecz zwykły zasilacz sieciowy z zasilaniem symetrycznym.
Niestety jakość schematu pozostawia trochę do życzenia, ale lepszy taki niż żaden.
Widać tłumik wejściowy, przetwornik ADC, bufor i mikrokontroler z wyświetlaczem. Układ jest prosty jak konstrukcja cepa, ale jak na zabawkę całkiem niezły.


Przyjrzyjmy się dokładniej, na jakich podzespołach zbudowano oscyloskop.
Zaraz za pierwszym tłumikiem sygnał trafia na wzmacniacz.
Zastosowano całkiem niezły wzmacniacz operacyjny o częstotliwości do 100 MHz, co przy deklarowanych 4 MHz daje spory zapas.


Dalej mamy niezły 8-bitowy przetwornik ADC firmy Burr-Brown o maksymalnej częstotliwości 60 MHz, również z ogromnym zapasem.
Ciekawe, że w DS203, którego używam, zastosowano wprawdzie podwójny przetwornik ADC, ale osiąga on tylko 40 megas próbek na sekundę.


Bufor FIFO — o ile dobrze rozumiem, jego maksymalna częstotliwość pracy wynosi około 80 MHz. Zastosowano układ IDT7205. Wygląda na to, że ta seria jest produkowana także w wersji wojskowej.


Dalej za wyświetlanie sygnału, siatki i pomiar częstotliwości odpowiada Atmega16A.


Na początek postanowiłem ocenić poziom szumów. Wejście nie było zwarte — po zwarciu na ekranie pojawia się po prostu linia prosta.
Po lewej oscyloskop po prostu leży na stole, po prawej przyłożyłem rękę do obudowy w pobliżu tłumika wejściowego.


Nie przejmujcie się, w rzeczywistości ekran oscyloskopu wygląda znacznie lepiej — wszystko jest ostre i kontrastowe.


Ponieważ oscyloskop nie potrafi robić zrzutów ekranu, musiałem skorzystać ze „starej, sprawdzonej metody”.


Na początek jako generatora użyłem generatora wbudowanego w mojego sprawdzonego DS203.
Przebieg piłokształtny i trójkątny o częstotliwości 20 kHz — tak widzą je oba oscyloskopy, co wypada całkiem nieźle.


Sinus i prostokąt o częstotliwości 20 kHz.
Sinus się zgadza, ale w prostokącie zbocze narastające jest mocno zaokrąglone.


Zakładam, że wcześniej generator pracował w trybie DDS, dlatego zwiększyłem częstotliwość powyżej 20 kHz — w tym trybie na pewno działa właśnie generator impulsów prostokątnych.
200 i 500 kHz. Powiedziałbym, że jest całkiem nieźle, gdyby nie to, że na jednym przebiegu zniekształcone jest jedno zbocze, a na drugim — drugie. Wygląda to tak, jakby obraz był lustrzanym odbiciem. W obu przypadkach użyłem przewodu od DS203, podłączając go na zmianę do wejścia każdego z oscyloskopów.


I wtedy przypadkiem zauważyłem ciekawą rzecz. Być może to błąd w programie, a być może tak miało być, ale oscyloskop pozwala znacznie skrócić czas podstawy czasu w stosunku do deklarowanych 1,5 µs na działkę.
Zacząłem przełączać tryby podstawy czasu (przełączają się cyklicznie) i po zwiększeniu czasu udało mi się rozciągnąć sygnał.
Częstościomierz oczywiście zaczął pokazywać wartość „z sufitu”.


No dobrze, robi się ciekawie — podajemy 1 MHz.


Po lewej 1,5 µs, po prawej „nieprawidłowy”, rozciągnięty tryb.


Podajmy 2 MHz.


No i już myślę: „pies zdechł” — na ekranie jakieś bzdury, w pierwszym trybie nic nie widać, w drugim przebieg jest prawie trójkątny.


Ale się nie poddaję i podaję 4 MHz. Nawet na ekranie mojego oscyloskopu widać już coś, co słabo przypomina prostokąt.


A na ekranie testowanego „zwierzaka” jest już zupełna masakra, ale...
1. Sygnał wejściowy przy najkrótszej podstawie czasu — częstościomierz działa prawidłowo i pokazuje podane 4 MHz. Ale na ten przebieg nie da się patrzeć bez łez w oczach.
2. Zwiększamy czas podstawy, tak jak wcześniej — no i mamy trójkąt.
3. Zmieńmy tłumienie wejściowe z 1 V na działkę na 0,5 V. O, jest już wyraźnie lepiej.
4. A teraz jeszcze bardziej rozciągnijmy podstawę czasu. Nawet przypomina prostokąt :)

Z drugiej strony nikt przecież nie obiecywał, że będzie działać powyżej 4 MHz.


Kolejny eksperyment przeprowadziłem już w tym trybie. Przy okazji: wbudowany częstościomierz zaczyna pokazywać bzdury przy częstotliwości 6 MHz. Okazało się jednak, że częstotliwość wyświetlana na ekranie i tak jest wielokrotnością rzeczywistej częstotliwości sygnału wejściowego.
1. 6 MHz — na ekranie wyświetla 2 kHz, czyli 3000 razy mniej.
2. 8 MHz — na ekranie 2,8 kHz, czyli również około 3000 razy mniej niż 8 MHz.

Ale jednak działa. Odniosłem wrażenie, że w jakiś sposób wyświetlana jest tylko część rzeczywistego sygnału, mocno podzielona — jakby „wyjęto” z niego większą część, dzięki czemu zyskał sensowny kształt.
Niestety nie mam zbyt wielu możliwości testowania przy wysokich częstotliwościach.


Uczciwie mówiąc, najpierw próbowałem przeprowadzić testy z innym generatorem sygnałów.


Nie dodałbym ich do recenzji, gdyby nie kilka drobiazgów, które zauważyłem podczas testów.
Na początek sygnał 8 MHz w standardowym trybie i po rozciągnięciu, tak jak robiłem to wcześniej.


Jeśli jednak rozciągnąć go jeszcze bardziej, przybiera taki kształt. Być może ta informacja da komuś do myślenia.


Tak wyglądają przebiegi trójkątny i piłokształtny podane z tego generatora na testowany oscyloskop i mój główny oscyloskop.
Częstotliwość 65 kHz.


Skoro już testuję, sprawdzę, jak ten oscyloskop radzi sobie z bardziej rzeczywistymi sygnałami. Na przykład z przebiegiem z jednej z moich recenzji zasilacza. Prawda, tutaj użyto kondensatora równolegle do sondy, tak jak robiłem to w ostatnich recenzjach zasilaczy.


Ten sam zasilacz, mniej więcej takie samo obciążenie, ale różne ustawienia wyświetlania sygnału.
Podobnie? Moim zdaniem tak.


Może komuś przebieg pokazany wyżej wyda się mało czytelny, dlatego wybrałem jeden z zasilaczy, w którym tętnienia mają bardziej typowy kształt.
Ten sam zasilacz, po lewej obciążenie 50%, po prawej 100%. W obu przypadkach przebiegi są identyczne, a na testowanym oscyloskopie można jeszcze powiększyć obraz 2 lub 4 razy.
Mój oscyloskop pracuje jednak przy minimalnej możliwej czułości 50 mV na działkę, a w testowanym można zwiększyć czułość jeszcze 5-krotnie, do 10 mV na działkę. Ujawniła się jednak drobna „osobliwość”: na jednym oscyloskopie amplituda tętnień wyszła większa niż na drugim. Przy okazji, w testowanym oscyloskopie wartość międzyszczytowa jest wyświetlana całkiem poprawnie.


Zdjęcie grupowe: DSO138, testowany oscyloskop i DS203.


Podsumowując, oscyloskop mile mnie zaskoczył, przede wszystkim całkiem niezłymi podzespołami i prostotą układu. Pod względem funkcji oczywiście przegrywa nawet z DSO138, nie mówiąc już o DS203, ale parametrami znacznie przewyższa DSO138 i powiedziałbym, że pod pewnymi względami niewiele ustępuje mojemu. Warto pamiętać, że w DS203 zastosowano przetwornik ADC o maksymalnej częstotliwości 40 MHz, a w testowanym modelu 60 MHz.
Tłumik wejściowy zbudowano bez skomplikowanych przełączników, wyłącznie na najprostszych przekaźnikach, ale to rozwiązanie działa.
Z wad warto wymienić tylko tryb wejścia AC, bez AC/DC, jak w DSO138 i DS203.
Zaletą jest za to bardzo prosta obsługa, która niestety ma też swoją łyżkę dziegciu: wbudowany układ wyzwalania, odpowiedzialny za utrzymanie sygnału na ekranie, sprawia pewne problemy. Właśnie o tym pisałem wyżej, gdy była mowa o przycisku Hold. W niektórych sytuacjach oscyloskop nie potrafi stabilnie utrzymać sygnału na ekranie i obraz zaczyna „skakać”. Po naciśnięciu przycisku Hold wynik najczęściej jest prawidłowy, trzeba się po prostu do tego przyzwyczaić.
Największa dziwność: przebieg prostokątny przy częstotliwości 20 kHz.

Poza tym to bardzo ciekawa propozycja dla początkujących radioamatorów: prosta w obsłudze i przydatna w praktyce, na przykład podczas pracy z zasilaczami.
Ponadto oscyloskop jest sprzedawany w obudowie (co jest jednocześnie zaletą i wadą) i zasilany napięciem 5 V. Próbowałem zasilać go z powerbanku — działa bez zarzutu.

Kupowałem za pośrednictwem yoybuy.com, zestaw kosztował około 22 USD, a koszt dostawy zależy od kraju. W recenzji podano masę poszczególnych elementów.
Jeśli zarejestrujesz się u pośrednika przez ten link, powinieneś dostać kupon o wartości 10 USD przy zakupach za 50 USD. To link polecający, ale nic na nim nie zarabiam.


To już wszystko. Jak zawsze, czekam na pytania i mam nadzieję, że recenzja była przydatna.