USB-осциллографы: выбор и сравнение

У двух USB-осциллографов могут совпадать полоса пропускания, число каналов и даже максимальная частота дискретизации, но в работе они окажутся заметно разными. Причина в том, что компьютер здесь становится частью измерительной системы: через него выполняются управление, отображение, сохранение и обработка данных.

Поэтому при выборе USB-осциллографа стоит смотреть не только на характеристики измерительного модуля. Не меньшее значение имеют режимы записи, работа нескольких каналов одновременно, программное обеспечение и устройство входов.

Полоса пропускания, частота дискретизации, память и вертикальное разрешение подробно разобраны в статье «Выбор осциллографа: анализ ключевых параметров». Здесь сосредоточимся на особенностях именно USB-моделей.

Что меняется, когда осциллограф работает через компьютер

У классической USB-приставки измерительный модуль принимает и оцифровывает сигнал, а компьютер используется для управления и отображения осциллограммы. Сам принцип такого исполнения уже рассмотрен в статье «Типы осциллографов и их назначение: какие бывают и чем отличаются».

Для выбора конкретной модели важнее другое: как прибор получает, хранит и передаёт данные компьютеру.

В одном режиме осциллограф сначала формирует запись во внутренней памяти, а затем передаёт её программе. В другом данные могут поступать на компьютер непосредственно во время продолжительной регистрации. От этого зависят длина доступной записи, скорость работы с ней и возможность наблюдать процесс в течение длительного времени.

При этом наличие USB-разъёма само по себе ещё не делает прибор USB-осциллографом-приставкой. Например, планшетный VERDO ST1225 имеет два аналоговых канала, полосу 100 МГц, максимальную частоту дискретизации 1 Гвыб/с, собственный 8-дюймовый сенсорный экран и интерфейсы USB Host и USB Device. То есть это автономный осциллограф с компьютерными интерфейсами, а не приставка, которой обязательно нужен ПК. 

Когда USB-осциллограф особенно удобен

Такой формат хорошо подходит для рабочего места, где ноутбук или ПК и без того постоянно используется для измерений, разработки или подготовки документации.

USB-модель удобна, если нужно:

• сохранять и сравнивать большое количество осциллограмм;
• обрабатывать результаты на компьютере;
• вести продолжительную регистрацию;
• работать с цифровыми интерфейсами;
• включать измерительный модуль в испытательный стенд;
• автоматизировать повторяющиеся операции.

Для быстрых разовых измерений автономный прибор иногда практичнее: его можно включить, подключить щуп и сразу приступить к работе. Поэтому выбор форм-фактора лучше начинать со сценария использования, а не с размеров корпуса.

Как сравнивать USB-осциллографы

Максимальной полосы и частоты дискретизации для полноценного сравнения недостаточно. При выборе полезно проверить не только основные характеристики, но и то, как прибор работает с несколькими каналами, записью и компьютером.

Такое сравнение лучше показывает реальные возможности прибора, чем одна максимальная цифра в спецификации.

Два, четыре или восемь каналов

Главный вопрос здесь — сколько сигналов необходимо записать одновременно.

Два канала подходят, когда требуется сопоставить пару процессов, например вход и выход исследуемого узла.

Четыре полезны, когда нужно увидеть несколько связанных событий в одной временной шкале:

На двухканальном приборе такие измерения придётся выполнять в несколько этапов. Если событие возникает нерегулярно, результаты разных запусков уже сложнее сопоставить.

Если компьютерный формат не является обязательным, USB-приставку можно сравнить и с автономными четырёхканальными моделями. Например, VERDO ST1244 имеет четыре аналоговых канала, полосу 100 МГц и поддерживает вертикальное разрешение до 14 бит.

Для восьми и более входов особенно важно проверить, как при одновременной работе распределяются ресурсы измерительной системы.

Как выбор выглядит на практике

Предположим, нужно одновременно контролировать четыре связанных сигнала. На двухканальном приборе придётся выполнять несколько захватов и переставлять щупы. Если неисправность проявляется не каждый раз одинаково, взаимное положение событий во времени может потеряться.

Четыре канала позволяют получить все сигналы в одном захвате и увидеть, какое событие произошло первым. Поэтому дополнительные входы иногда оказываются полезнее большого запаса по полосе пропускания.

Как число активных каналов связано с частотой дискретизации

При сравнении моделей важно выяснить, в каком режиме достигается указанная максимальная частота дискретизации.

В зависимости от архитектуры прибора ресурсы АЦП, памяти и тракта сбора данных могут распределяться между каналами или группами каналов. Поэтому после включения дополнительных входов доступная частота дискретизации иногда снижается.

Это не универсальное правило: всё зависит от схемотехники конкретного осциллографа и выбранного режима работы.

Поэтому практический вопрос звучит не «Какая у прибора максимальная частота дискретизации?», а так:

Для четырёх- и многоканальных USB-осциллографов это особенно существенно.

Память и длительная запись — не одно и то же

Большой объём оперативной памяти компьютера ещё не означает, что USB-осциллограф сможет непрерывно записывать сигнал часами с максимальной частотой дискретизации. Здесь полезно различать два сценария:

• Block mode, или блочный захват: прибор сначала сохраняет набор отсчётов во внутренней памяти, после чего передаёт готовую запись компьютеру.
• Streaming mode, или потоковая регистрация: данные поступают на компьютер непосредственно во время измерения.

У этих режимов разные ограничения. Если требуется поймать короткий быстрый сбой с высоким временным разрешением, важнее может быть глубокий блочный захват.

Если исследуется медленный процесс в течение минут или часов, полезнее становится потоковый режим.

Скорость USB и частота дискретизации — разные характеристики

Частота дискретизации характеризует скорость получения отсчётов измерительным трактом.

Пропускная способность USB определяет возможности обмена данными между осциллографом и компьютером.

Эти характеристики связаны, но не заменяют друг друга. Если сначала выполняется запись во внутреннюю память, измерительный тракт может работать значительно быстрее, чем затем происходит передача полного массива данных на ПК.

Поэтому из более новой версии USB нельзя автоматически делать вывод о более высокой частоте дискретизации осциллографа.

Более производительный интерфейс особенно полезен при передаче больших массивов и потоковой регистрации. В блочном режиме существенную роль играют собственные АЦП и память измерительного модуля.

Программное обеспечение — часть USB-осциллографа

Для USB-модели качество ПО напрямую влияет на удобство работы с прибором. Перед выбором стоит проверить:

• удобно ли управлять всеми необходимыми каналами;
• какие автоматические измерения доступны;
• есть ли курсоры;
• поддерживаются ли математические функции и БПФ;
• какие условия запуска можно настроить;
• поддерживается ли декодирование требуемых интерфейсов;
• можно ли экспортировать массив исходных отсчётов;
• в какие форматы сохраняются результаты.

Полезно учитывать и жизненный цикл программного обеспечения. Осциллограф может использоваться много лет, поэтому значение имеют поддержка актуальной операционной системы, наличие драйверов и возможность обновления программы.

Когда нужны API и SDK

Для обычных ручных измерений API может вообще не понадобиться. Другая ситуация возникает при автоматизации.

Предположим, испытание состоит из повторяющегося цикла:

изменить режим устройства → выполнить захват → измерить параметр → сохранить результат → перейти к следующему режиму

Если таких циклов несколько, их несложно выполнить вручную. Если их десятки или сотни, отсутствие программного управления существенно увеличивает объём ручной работы.

Поэтому для испытательного стенда заранее проверяют:

• Наличие API или SDK.
• Доступные для программного управления функции.
• Возможность выгружать массивы отсчётов.
• Поддерживаемые языки и среды разработки.
• Работу с несколькими устройствами.

Сам факт подключения по USB ещё не означает, что осциллограф предоставляет полноценный интерфейс автоматизации.

Почему важна схема входов USB-осциллографа

Перед подключением нужно выяснить, как устроены общие проводники входов и предусмотрена ли гальваническая изоляция. У многих неизолированных моделей общие проводники нескольких каналов электрически соединены между собой и могут быть связаны через USB с компьютером. 

Если компьютер подключён к защитному заземлению, измерительная система также может оказаться связана с землёй. Само по себе это не является проблемой, если общий провод щупа подключается к точке с тем же потенциалом земли.

Опасная ситуация возникает, если его подключить к точке с другим потенциалом. В результате возможны большой ток через общий провод, короткое замыкание, повреждение исследуемой схемы или измерительного оборудования и опасность поражения электрическим током.

Важно учитывать и связь каналов между собой: наличие двух или четырёх входов не означает, что зажимы общего провода можно безопасно подключить к произвольным точкам с разными потенциалами. Для плавающих измерений используют подходящие дифференциальные пробники либо приборы с предусмотренной для такой работы изоляцией входов.

Когда особенно полезны логические каналы

Если вместе с аналоговым сигналом приходится контролировать много цифровых линий, дополнительные аналоговые входы не всегда являются лучшим решением. Здесь стоит сравнить обычный многоканальный прибор с MSO — осциллографом смешанных сигналов.

Аналоговый канал нужен, когда важно видеть реальную форму напряжения: уровень, фронт, выбросы, шум и другие особенности сигнала.

Логический вход показывает прежде всего состояние линии относительно установленного порога. Поэтому при отладке микроконтроллерной системы цифровые каналы MSO можно использовать для шин и управляющих линий, а аналоговые оставить для питания и сигналов, форму которых действительно нужно анализировать.

Какой USB-осциллограф выбрать для разных задач

Одинаковые характеристики могут быть полезны в одном сценарии и почти не влиять на работу в другом. Поэтому после сравнения основных параметров стоит определить, для каких измерений будет использоваться прибор.

Для ремонта электроники

При ремонте обычно достаточно двух или четырёх аналоговых каналов. На практике важнее не максимальное число входов, а возможность удобно сравнивать сигналы в разных точках схемы, проверять питание и ловить кратковременные сбои.

Для USB-модели дополнительно стоит оценить:

• насколько быстро запускается программа и настраиваются каналы;
• удобно ли сохранять осциллограммы;
• какие условия триггера доступны;
• можно ли комфортно работать с длинной записью.

Отдельно конкретные приборы для сервисных задач рассмотрены в статье «Топ-10 осциллографов для ремонта электроники».

Для разработки цифровой электроники

При работе с микроконтроллерами, FPGA и цифровыми интерфейсами приходится анализировать не только форму отдельного импульса, но и последовательность связанных событий.

Здесь особенно полезны:

• несколько одновременно работающих каналов;
• глубокая память;
• сложные условия запуска;
• декодирование UART, I²C, SPI, CAN и других интерфейсов;
• экспорт захваченных данных.

Если цифровых линий много, стоит сравнить обычный многоканальный USB-осциллограф с MSO. В таком приборе аналоговые входы можно оставить для сигналов, форму которых важно видеть полностью, а цифровые использовать для контроля логических состояний.

Для длительной регистрации и лабораторных испытаний

Если нужно исследовать не отдельную осциллограмму, а процесс в течение продолжительного времени, приоритеты меняются.

Стоит проверить:

• наличие Streaming mode;
• скорость передачи данных на компьютер;
• ограничения длительной регистрации;
• работу программы с большими файлами;
• автоматическое сохранение;
• поиск нужного участка в длинной записи.

Большой объём памяти ПК сам по себе не гарантирует длительную регистрацию с максимальными параметрами измерительного тракта.

Для автоматизированного испытательного стенда

Здесь USB-формат особенно удобен, потому что компьютер уже является частью измерительной системы.

На первый план выходят:

• API или SDK;
• программное управление каналами и запуском;
• автоматическое получение результатов измерений;
• экспорт исходных массивов;
• работа нескольких измерительных модулей;
• стабильность драйверов при длительных испытаниях.

Перед покупкой важно проверить эти возможности именно для конкретной модели, а не делать вывод только по наличию USB.

Для автомобильной диагностики

В автомобильных измерениях максимальная полоса не всегда является главным параметром. Часто важнее возможность синхронно наблюдать несколько датчиков и управляющих цепей.

Осциллографом проверяют, например, сигналы датчиков положения, форсунок, системы зажигания, питание электронных блоков и взаимную синхронизацию нескольких процессов.

Для простой проверки одного-двух узлов достаточно двух каналов. Если требуется сопоставлять несколько сигналов одновременно, удобнее четырёх- или многоканальная модель.

Нужно учитывать и принадлежности:

• токовые клещи;
• датчики системы зажигания;
• высоковольтные пробники;
• подходящие переходники и кабели.

Подробнее этот сценарий рассмотрен в материале «Автомобильный осциллограф: для чего нужен, какой выбрать и как пользоваться». Для сравнения конкретных моделей есть отдельный рейтинг «Подбор осциллографа для автомобиля: ТОП-5 моделей».

Сам осциллограф здесь является только частью измерительной системы, поэтому до выбора модели полезно определить, какие автомобильные сигналы предстоит проверять и какие принадлежности для этого потребуются.

Чек-лист перед покупкой USB-осциллографа

Когда основные параметры уже подходят под исследуемые сигналы, перед окончательным выбором стоит проверить:

• Сколько каналов будет использоваться одновременно.
• Меняется ли частота дискретизации при их включении.
• Как распределяется память.
• Какая доступна глубина записи.
• Есть ли потоковая регистрация.
• Какие возможности даёт ПО.
• Поддерживается ли используемая операционная система.
• Можно ли экспортировать исходные отсчёты.
• Есть ли API или SDK, если планируется автоматизация.
• Соединены ли общие проводники каналов.
• Предусмотрена ли гальваническая изоляция.
• Какие пробники и принадлежности совместимы с моделью.

Если нужны конкретные USB-модели, их можно сравнить отдельно в материале «ТОП-5 USB-осциллографов».

Вопросы и ответы

Можно ли пользоваться USB-осциллографом без компьютера?

Классической USB-приставке компьютер нужен для управления и отображения результатов. Если требуется автономная работа, лучше выбирать модель с собственным экраном.

Нужен ли для USB-осциллографа мощный компьютер?

Зависит от прибора и режима работы. Для обычных одиночных захватов требования могут быть невысокими. При потоковой записи и обработке больших массивов данных уже имеют значение объём оперативной памяти, производительность процессора и скорость накопителя.

Нужно ли USB-осциллографу отдельное питание?

Не всегда. Одни модели получают питание через USB, другим требуется отдельный источник. Способ питания нужно проверять в документации конкретного прибора.

Что выбрать для цифровой отладки: четыре аналоговых канала или MSO?

Если важна подробная форма напряжения на всех линиях, нужны аналоговые входы. Если часть сигналов достаточно контролировать как логические состояния, MSO с цифровыми каналами может быть удобнее.

Можно ли подключить несколько USB-осциллографов к одному компьютеру?

Некоторые модели и программы поддерживают работу с несколькими измерительными модулями. Возможность их одновременного подключения и синхронизации нужно проверять в документации конкретного прибора и его ПО.