Осциллографы USB‑типа: что это, какие задачи решают и как выбрать?

Содержание:

• USB-осциллограф: что это за прибор и принцип его работы
• Устройство USB-осциллографа
• Основные возможности и применение USB-осциллографов
• На что обратить внимание при покупке цифрового USB-осциллографа
• Особенности софта и взаимодействие с компьютером
• Преимущества и ограничения USB-осциллографов
• В каких случаях USB-измеритель особенно полезен

Осциллограф занимает второе место по популярности и востребованности среди измерительных приборов, уступая только мультиметру. С появлением и развитием вычислительной техники сформировался новый класс устройств — USB-осциллографы, которые часто называют компьютерными приставками-осциллографами.

Первые модели USB-осциллографов вышли на рынок в 1992 году благодаря компании Pico Technology и были рассчитаны на работу под управлением операционной системы DOS. С тех пор такие устройства претерпели значительные изменения: расширился функционал, повысилась точность и удобство эксплуатации. Сегодня их производство ведут многие известные компании, среди которых Hantek, Instrustar, LOTO Instruments, OWON, VIMU.

После прочтения этой статьи вы сможете разобраться в технических параметрах, функциях и основных принципах выбора USB-осциллографов для изучения электрических сигналов.

USB-осциллограф: что это за прибор и принцип его работы

USB-осциллограф представляет собой компактный аппаратно-программный комплекс, предназначенный для измерения и тестирования параметров электрических сигналов, таких как амплитуда, частота и временные характеристики. Он обычно выполнен в виде приставки, подключаемой к компьютеру через USB-интерфейс, и работает лишь в связке с программным обеспечением на ПК.

Устройство USB-осциллографа

В основе конструкции двухканального USB-осциллографа лежит следующая цепочка узлов:

• Входные цепи с программируемыми фильтрами низких и высоких частот, а также переключаемыми режимами входа;
• Операционный усилитель для обработки входного сигнала;
• Регулируемый фильтр низких частот;
• Аналого-цифровой преобразователь (АЦП), преобразующий сигнал в цифровую форму;
• Микроконтроллер, управляющий работой устройства и обработкой данных;
• Конвертер интерфейса UART-USB для передачи данных на компьютер.

Каждый канал осциллографа имеет аналогичную схему. Сигнал поступает на вход, усиливается и фильтруется, затем передается на АЦП, где проходит оцифровку. Цифровые данные поступают на микроконтроллер, обрабатываются и отправляются через USB в ПК. Специальное ПО визуализирует осциллограмму и обеспечивает управление всеми параметрами устройства.

Главное отличие USB-осциллографа — отсутствие собственных органов управления, дисплея и встроенной памяти для хранения результатов. Все операции выполняются через мышь и клавиатуру компьютера. Питание обычно поступает по USB-интерфейсу, однако модели с большим энергопотреблением могут комплектоваться внешним блоком питания.

Верхний рабочий диапазон частот определяется параметрами аналоговой части, быстродействием АЦП и микроконтроллера. Разрядность АЦП влияет на точность: 12-битные модели поддерживают 4096 уровней, а 8-битные — только 256. Быстродействие цифровой части прямо зависит от возможностей используемой элементной базы.

Основные возможности и применение USB-осциллографов

USB-осциллографы, подключаемые к компьютеру, используются для решения широкого спектра задач в области электроники и технической диагностики.

Основные области применения

• Проектирование, настройка, регулировка и диагностика электронных узлов и блоков различного назначения.
• Проверка работоспособности электронной начинки транспортных средств и спецтехники.
• Проведение сервисных работ на телекоммуникационном оборудовании непосредственно на месте эксплуатации.
• Испытания и измерения технических характеристик электроники в полевых условиях, вне лаборатории.
• Поддержка учебных процессов в технических колледжах и вузах, включая практическое освоение измерительных систем.

Некоторые USB-осциллографы сочетают возможности сразу нескольких измерительных приборов: осциллографа, генератора сигналов, анализатора спектра, анализатора протоколов, логического анализатора (логик-анализатор) и других.

В таких приборах используются два типа генераторов:

• Классические импульсные источники: прямоугольные тестовые сигналы с частотой до десятков мегагерц и напряжением до нескольких вольт.
• DDS-генераторы (Direct Digital Synthesis): позволяют создавать устойчивые аналоговые колебания различных форм — синус, меандр, треугольник, пила, произвольные формы.

Встроенные анализаторы спектра работают с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ).

Многоканальные анализаторы протоколов поддерживают работу с логическими сигналами TTL, LVTTL CMOS, LVCMOS, ECL, PECL, EIA.

Логические анализаторы позволяют анализировать цифровые шины обмена данными, такие как UART, I2C и SPI — эти интерфейсы широко применяются для связи между микроконтроллерами и периферийными устройствами.

USB-осциллографы благодаря своей гибкости находят применение в производстве, разработке, техническом обслуживании, а также в образовательных и лабораторных задачах.

На что обратить внимание при покупке цифрового USB-осциллографа

При покупке USB-осциллографа важно учитывать несколько ключевых характеристик, определяющих удобство и точность работы:

• Полоса пропускания — определяет максимально возможную частоту сигнала для корректного анализа. Для бытовых и учебных задач подойдут модели до 50 МГц, для профессиональных — от 100 МГц и выше.
• Частота дискретизации — чем выше этот параметр, тем точнее отображение формы сигнала. Рекомендуется выбирать осциллограф с запасом по сравнению с рабочей частотой.
• Количество каналов — влияет на возможность одновременного анализа нескольких сигналов. Для простых измерений достаточно 2 каналов, для сложных задач — 4 и более.
• Разрядность АЦП — чем выше битность, тем точнее фиксируется уровень сигнала и меньше искажения.
• Интерфейсы подключения и ПО — важно наличие совместимости с современными ОС, поддержка обновлений и удобный функционал программного обеспечения.
• Дополнительные функции — триггерные режимы, автоматические измерения, встроенная память, возможность экспорта данных.

Выбирая USB-осциллограф, стоит исходить из конкретных задач: для учебных и сервисных целей подойдут бюджетные модели, для исследовательских и промышленных — более точные и функциональные приборы.

Особенности софта и взаимодействие с компьютером

Подключение цифрового USB-осциллографа к компьютеру требует лишь соединения через кабель USB, после чего запускается специализированное программное обеспечение. Чтобы система работала корректно, ноутбук или ПК должны соответствовать минимальным требованиям, таким как современная версия операционной системы (обычно Windows 7, 8, 10), достаточный объем оперативной памяти и производительный процессор для обработки измеренных данных.

Интерфейс программ обеспечивает удобную настройку каналов, масштабирование, управление запуском, сохранение и экспорт результатов измерений в популярные форматы для последующего анализа. Пользователь получает доступ к расширенным функциям визуализации, работе с несколькими каналами, использованию курсорных измерений и автоматизации процесса тестирования.

Благодаря эргономичности и широким возможностям ПО, интеграция осциллографа в рабочий процесс не вызывает затруднений и позволяет эффективно решать измерительные задачи.

Преимущества и ограничения USB-осциллографов

Преимущества:

• Использование специализированного программного обеспечения, оптимизированного для работы с USB-осциллографами.
• Компактность и малый вес, обеспечивающие удобство переноски и установки.
• Простое подключение и быстрый запуск прибора в работу.
• Возможность масштабирования числа каналов через подключение нескольких однотипных осциллографов к одному ПК.
• Более низкая стоимость: производительность и объём памяти определяются возможностями подключённого компьютера, а не самим прибором.

Ограничения:

• Полоса рабочих частот ограничена несколькими сотнями мегагерц, что недостаточно для тестирования устройств сверхвысокочастотного диапазона.
• Не все ПК и ноутбуки подходят для работы с комплексом из-за ограниченных вычислительных ресурсов.
• Питание через USB может создавать шумы, влияющие на точность измерений сигналов малой амплитуды.
• На текущий момент ни один USB-осциллограф не внесён в Государственный реестр средств измерений РФ, что исключает их использование в сертификационных и поверочных испытаниях.

USB-осциллографы являются нишевыми приборами, способными заменить настольные и переносные модели лишь частично, обеспечивая решение ограниченного круга измерительных задач.

В каких случаях USB-измеритель особенно полезен

Портативный USB-осциллограф особенно удобен при работе с радиоэлектронной аппаратурой, учитывая описанные ограничения. К типичным ситуациям относятся:

• Профессиональная диагностика, наладка и поиск неисправностей электроники.
• Визуализация процессов в электронных схемах для учебных целей, например, при выполнении лабораторных практикумов.
• Выездные полевые и натурные испытания радиоэлектронного оборудования.
• Радиолюбительские измерения и эксперименты.

В этих случаях можно максимально использовать преимущества USB-осциллографов — компактность, лёгкость и удобство подключения к ПК.

Важно учитывать, что такие приборы не работают автономно и требуют подключения к компьютеру. Для современных сервисных инженеров это не проблема, так как ноутбук обычно используется в работе.

Существуют задачи, для которых компактные USB-осциллографы не заменят дорогостоящие настольные модели. Эти ситуации касаются специфических измерений и не затрагивают большинство профессиональных нужд инженеров по ремонту и обслуживанию радиоэлектроники.

Если возникают трудности с выбором, специалисты Центра Измерительной Техники «ЭТАЛОНПРИБОР» помогут с подбором устройства и оформлением заказа.