Část 2. Základní charakteristika Skopmetru 3v1

Na trhu se v nedávné době objevily dva papírově podobné přístroje, které se v základních charakteristikách (včetně ceny) až překvapivě shodují:

Hantek 2D72 a Owon HDS272S. V obou případech jde o multifunkční přístroje, které kombinují dvoukanálový osciloskop 2x 70 MHz @ 250 MSa/s, funkční generátor 250 resp. 125 MSa/s, digitální multimetr (V, A, Ohm, C, diody). Oba přístroje navíc nabízejí i levnější modely s šířkou pásma 40 MHz a případně s absencí funkčního generátoru. K oběma je rovněž možné si stáhnout program pro PC, se kterým je možné skopmetr ovládat, ukládat průběhy apod. Napájení obou shodně – USB-C kabel, Li-Ion články 18650.

Pečlivému srovnání obou přístrojů byla věnována spousta videí na Youtube, já si dovolím tedy srovnání shrnout následovně:

Hantek

• Generátor – (výstupní impedance 50 Ohm) má vyšší vzorkovací frekvenci, ovšem nabízí jen 512 bodů průběhu, 12 bit. Analogově je zdá se čistší a údajně nabízí i možnost importu vlastní funkce přes CSV soubor.

• Osciloskop – v podstatě stejné charakteristiky, jako Owon. Je schopen nějak zobrazit i frekvence nad 70 MHz (sinus) a měřit i frekvenci, ovšem průběhy jsou trochu nestálé (i analogově stabilní křivka se mírně vlní) a zobrazuje zdá se vždy jen jeden průběh v jednom okamžiku – takové čisté digitální zobrazení. Paměť 6k nebo 2x 3k vzorků. Max napětí 150V RMS.

• Multimetr – asi horší základní přesnost, nejsou informace, zda je TrueRMS. Max 600 V DC/AC, 40 – 100 Hz. Kapacita max 100 uF. Základní přesnost napětí DC 0,8 % / AC 1,2%

• PC aplikace – je výborná(!), nabízí plnou funkcionalitu přístroje včetně ukládání hodnot (i z DMM) do CSV apod. Lze volně stáhnout a funguje i v demo režimu – http://www.hantek.com/uploadpic/hantek/files/20210817/Hantek2000_Software.zip

• Hezčí taštička, ale menší displej. Dle některých měření nižší spotřeba při provozu, ale vyšší spotřeba ve standby

Owon

• Generátor – (výstupní impedance 50 Ohm) nabízí sice 14 bitů, ale mírně horší analogové parametry. Nabízí výrazně více funkcí, avšak neumožňuje import vlastních. „Jen“ 125 MSa/s

• Osciloskop – řádově lepší akviziční schopnosti, takřka analogové zobrazení – u proměnlivých signálů je zobrazeno mnoho průběhů přes sebe (až 10k průběhů / sec), stabilní zobrazení. Paměť 8k nebo 2x 4k. Max vstupní napětí 400V p-p.

• Multimetr – vyšší rozlišení, při měření kapacit dlouho trvá zobrazení hodnoty (probíhající měření není nijak indikováno). True RMS se vzorkováním 20 kHz, přesnosti pro 40 Hz – 1000 Hz. Kapacita max 2000 uF. Základní přesnost napětí DC 0,3% / AC 0,8%.

• PC aplikace – jen pro osciloskop, ale celkem nepoužitelná. Zato je publikován komunikační protokol pro řízení a přenos dat z osciloskopu. Jiné funkce nejsou z PC přístupné. Daleko lepší a flexibilnější (dle mého názoru a zkušeností) je použití USB režimu MSC, kdy jsou uložené průběhy dostupné v PC jako u USB paměti. Mají přitom celkem přívětivý formát CSV. Bohužel vždy jen jeden kanál v jednom souboru – viz dále.

• Ikona aplikace je navíc ukradená z mého oblíbeného WinSpice!

Při bližším pohledu na technické parametry obou přístrojů se tak dá říci, že dva na pohled takřka totožné přístroje podle základních specifikací, takřka nemohou být rozdílnější – detailnější parametry, způsob zpracování signálu, měření, přístup k ovládání a prezentaci jsou zkrátka naprosto rozdílné.

Tak, a po tomto obšírném úvodu se tedy konečně dostáváme k tomu, proč si myslím, že takový přístroj je takřka nezbytným pomocníkem v poli? Posuďte sami.

Samotný multimetr beru jako samozřejmost, poslouží pro měření napětí baterií, napětí sítě (u Owonu navíc TrueRMS s rozsahem do 1 kHz), lze s jeho pomocí nějak měřit i proudové odběry, hledat proražené polovodiče (typicky diody ve zdroji, tranzistory apod.), a měřit kapacitu kondenzátorů, i když leckdy je podstatnější spíše ESR. Ohmmetr zase poslouží například pro měření stejnosměrného odporu kmitačky reproduktorů.

Přidaná hodnota tkví především ve spojení s generátorem, který umožňuje jednak celkem snadno měřit některé charakteristiky (výkon v limitaci, polaritu signálu), ale lze jej znásilnit i k realizaci základního reflektometru – umožní najít třeba zkrat/přerušení kabelu (od nějakých 10 m délky, kvůli omezené „krátkosti“ trvání impulzu generátoru) nebo změření délky kabelu navinutého na bubnu. S trochou postprocesingu v GNU/Octave pak může měřit i komplexní impedanci pasivních součástek za různých frekvencí (nikoliv ale běžně zapájené v DPS) a podobně. Pojďme na to.

Popis funkcí a ovládání Owon HDS272S

Základní parametry skopmetru jsme tedy prošli, nyní se podíváme na přístroj a jeho ovládání.

Přístroj nabízí tři režimy – Osciloskop, generátor a multimetr. Každý režim/funkce disponuje samostatnými terminály/svorkami. Měření/činnost jednotlivých funkcích může probíhat nezávisle na ostatních, ovšem přístup máme vždy jen k funkcím jednoho zobrazeného režimu.

Na začátku rovněž uvedu funkci autokalibrace, kterou spustíme přes System – 2/2 – AutoCallibration. Od přístroje všechno odpojíme a měl by se sám zkalibrovat. Co všechno to obnáší (zda i multimetr), nevím.

K režimu multimetru hned směřuje jedna malá výtka – ovládání je sice jasné a přehledné, přístup k jednotlivým měřením je také celkem rychlý (přes čtyři funkční klávesy F1-F4, jiná tlačítka (kromě Range a Trig/Delta) nemají v tomto režimu žádnou funkci), avšak přístroj již nenabízí o mnoho více možností zobrazení hodnot (aktuální,min, max), ani funkci HOLD a neumožňuje ani ukládání hodnot nebo historie měření, a to ani ve spojení s PC. Multimetr tak nabízí jen to, co okamžitě vidíme, nic víc, nic míň. Zato alespoň nabízí TrueRMS měření se vzorkováním 20 kHz a šířkou pásma do 1 kHz, což není vůbec špatné.

Měření kapacit kondenzátorů probíhá nejspíše měřením nárůstu napětí při nabíjení, přičemž probíhající měření není nijak indikováno. Po přiložení kondenzátoru vyšší hodnoty tak na displeji klidně 5 – 10 s nevidíme žádnou změnu oproti nezapojenému stavu a teprve po značné době se objeví celkem přesně změřená kapacita. Měření odporů je trochu pomalejší, spolu s měřením napětí a proudu umožňuje buď automatický rozsah nebo pomocí zmíněného tlačítka Range je možné nastavit zvolený rozsah pro rychlejší měření.

Jedinou „pokročilejší“ funkcí multimetru je možnost měření rozdílu – když stiskneme tlačítko Trig/Delta, přístroj si zapamatuje aktuální hodnotu (a zobrazí ji na displeji) a právě měřenou hodnotu zobrazí jako rozdíl oproti zapamatované. Tím lze například snížit systematickou chybu při měření nízkých hodnot odporů (přirozeně se vykompenzuje fixní odpor přívodů) atd.

V režimu generátoru máme k dispozici interaktivní nabídku parametrů podle nastaveného typu signálu, z nichž některá nastavení umožňuje zadávat vícero způsoby (viz lomítka) :

Základní typy signálu jsou:

Sinus – Perioda/frekvence, Amplituda a DC offset / Min a Max napětí

Obdélník – Perioda/frekvence, Amplituda a DC offset / Min a Max napětí

Pila – Perioda/frekvence, Amplituda a DC offset / Min a Max napětí, Symetrie (relativní trvání náběžné hrany k periodě signálu)

Puls – Perioda/frekvence, Amplituda a DC offset / Min a Max napětí, šířka pulzu/střída, trvání náběžné a sestupné hrany.

Kromě uvedených parametrických signálů je pak k dispozici celkem 16 tzv. Arbitrary funkcí, u kterých máme ovšem k dispozici jen základní nastavení (u všech stejné):

• Arbitrary: Perioda/frekvence, Amplituda a DC offset / Min a Max napětí

Mezi parametry se přeskakuje funkčními klávesami, eventuálně se jimi přepíná způsob vyjádření, konkrétní hodnoty se pak celkem pohodlně zadávají šipkami – horizontálně řád číslice, vertikálně konkrétní hodnota. Dokonce funguje i „přetečení“, tedy pokud přidáváme například desítky a překročíme stovku (v obou směrech), budou se stovky automaticky přidávat/ubírat, zatímco hodnota se bude stále měnit po desítkách na jedno stisknutí. Za mě celkem šikovné a poměrně rychlé.

V okně přitom vidíme zjednodušeně (a disproporčně) vyobrazený celý průběh signálu, u kterého se podle nastavení parametrů pro názornost aktualizují nastavení střední napěťové úrovně, minima a maxima, a zároveň je naznačena i délka periody.

Kromě tohoto nastavení pak již lze jen generátor tlačítkem „Play/Pause“ zapnout/vypnout a přes nabídku System – 2/2 – Load nastavit zatěžovací impedanci buď HiZ (= nekonečno), nebo 50 Ohm. Když zvolíme 50 Ohm, můžeme směrovými šipkami stejným způsobe nastavit libovolnou zatěžovací impedanci s krokem 1 Ohm (a minimem rovněž 1 Ohm). Toto však slouží jen a pouze k nastavení mezí a přepočtu kroku pro zadávání amplitud a offsetu funkce s přihlédnutím k pevné výstupní impedanci generátoru 50 Ohm.

Generátor má tedy k dispozici krajní úrovně +/- 2,5 V (bez zátěže, včetně offsetu) a v rámci těchto mezí může vykreslit takřka cokoliv (v rámci parametrů a přednastavených funkcí), při zátěži 50 Ohm se však toto manévrovací pole zmenší na +/- 1,25V (včetně offsetu). Pro jinou nastavenou zatěžovací impedanci tomu bude jinak. Samozřejmé je i to, že s maximální amplitudou signálu pak nelze nastavit žádný offset signálu. Když je rozdíl úrovní signálu špička-špička třeba 2 V a zatěžovací impedance je relativně vysoká (HiZ), je možné realizovat offset až 1,5 V v obou směrech. Čím vyšší amplituda, tím nižší prostor pro případný offset. Je rovněž zřejmé, že z generátoru tak nelze dostat třeba plný logický signál 0 – 5V, ale jen to, co umožní maximální rozkmit +/- 2,5 V.

Osciloskop

A nyní asi k té nejzajímavější části. Osciloskop nabízí skutečně velmi pěkné funkce i kvalitní zobrazení (vzhledem k rozměrům). Barevný displej s rozlišením VGA 320×240 zobrazuje dva kanály (žlutý a světle modrý) v rastru 12×8 dílků s přehledným zobrazením všech nejdůležitějších parametrů – citlivosti kanálu 1 a 2, aktuální vzorkovací frekvenci (!), nastavení spouštění (kanál 1 nebo 2, DC/AC, typ hrany a DC úroveň spouště). V horním panelu pak je informace o stavu spouštění (Triggered, Auto, Ready/Stop) a měřítku časové základny. Nakonec ještě znázornění vztahu zobrazeného úseku dat k celému záznamu a hodnota časového posunu zobrazení. A samozřejmě stav akumulátoru.

Smysl ovládání je vzhledem k absenci otočných ovladačů omezený formátem ručního přenosného měřáku. Není tak ergonomický, ale v rámci možností je poměrně funkční a dá se na něj zvyknout (s výhradami). Přístup k nastavení a zobrazení je přes základní sadu funkcí:

• CH1/2 – nastavení související s kanály

  • aktivace kanálu

  • vazba DC nebo AC

  • kompenzace přenosu sondy (1x až 10000x)

  • omezení šířky pásma na 20 MHz

  • a samozřejmě citlivost a posun Y

• Hor – nastavení horizontální osy časové základny

  • akviziční režim (Sample, Peak Detect)

  • délka paměti (4k, 8k vzorků, delší jen jednokanálově)

  • XY režim

  • Obnovovací rychlost (Refresh)

  • Vystředění

• Trig – nastavení spouštění

  • zdroj CH1 nebo CH2

  • vazba DC nebo AC

  • Typ – Auto, Normal, Single

  • Hrana

  • Vystředění

  • Force – ruční spuštění běhu

• Measure/Range – zobrazení automatických měření a/nebo kurzorů

  • Volby měření veličin – kanál, Vmax, Vmin, Vpp, Frekvence, perioda (+ Amplituda a Střední hodnota, dle mě nepoužitelné)

  • Kurzory: Napětí z kanálu 1, kanálu 2 nebo čas; poloha A, B a A-B

  • Nevýhodou tohoto měření je, že při uložení snímku obrazovky je přepsáno

Kromě toho zde fungují ještě tlačítka Auto pro automatické nastavení podle měřeného signálu (celkem šikovné) a Save – uložení nebo vyvolání uloženého měření – buď jako obrázek, referenční křivka (může být zobrazena spolu s měřenými průběhy, ovšem podivně (ne)reaguje na změnu nastavení kanálů, časové základny) nebo CSV (CSV soubor pouze uloží, ale nezobrazí).

Co je podstatné – po stisknutí CH1/2 nebo HOR lze šipkami v jedné ose vždy přepínat rozsahy a ve druhé posouvat signál. Směr je vždy zachován pro jemné posouvání signálu, ve druhé ose se tedy přepínají rozsahy. Je to semiintuitinví – dobré pro posouvání, pro přepínání rozsahů ale člověk hledá, protože zbylá osa je logicky kontraintuitivní, neboť vertikální rozsahy se přepínají do stran, horizontální vertikálně a ještě po programátorsku na špatnou stranu – kratší časová základna se vždy nastavovala „doprava“, takže v tomto směru se signál intuitivně roztahoval do šířky, ovšem zde se šipkou nahoru nastavuje vyšší hodnota času na dílek, tedy signál se šipkou nahoru „zkracuje“. To je z hlediska ergonomie ale asi největší prohřešek, takže ještě to jde (mohlo by být mnohem hůře…)

Podobně po stisknutí Trig lze vertikálními šipkami ihned nastavovat úroveň spouštění, takže v tomto směru je práce s osciloskopem ještě opravdu snesitelná.

Po stisku příslušných tlačítek základních funkcí se k dílčím parametrům přistupuje přes funkční klávesy F1-4 a pro žádnou z funkcí nebylo třeba více než dvou „stránek“, tedy max 6 parametrů, což je poměrně slušné – veškeré parametry tedy jsou dostupné po nejvýše dvou kliknutích (ok pro výběr kurzorů až 3) a osciloskop opravdu nabízí všechny potřebné základní funkce, včetně možnosti odečítání hodnot dvojicí horizontálních nebo vertikálních kurzorů a/nebo zobrazení až šesti automaticky měřených veličin ze sedmi dostupných.

Bohužel v případě měření přístroj sice nabízí měření amplitudy a hodnoty Peak-Peak, ovšem v praxi jsou obě hodnoty prakticky stejné (špička-špička obsahuje správnou hodnotu) a střední hodnota je také poměrně bezpředmětná, neboť pokud není zobrazeno tolik period, že není pořádně rozeznatelný signál, závisí střední (= průměrná DC) hodnota signálu do značné míry na zobrazení a posunutí signálu – když zaznamenaný úsek obsahuje třeba 2,55674 periody obdélníkového signálu, tak celých 20% hodnoty závisí na posunutí signálu. Smysluplné tak jsou jen automatická měření pro frekvenci, periodu, Min/Max eventuálně Peak-Peak.

Pro zobrazení signálů ještě poznamenám poměrně zásadní, i když ne na první pohled zřejmý rozdíl mezi způsobem zobrazení signálu a „akvizičním režimem“. Oba parametry se skrývají v nastavení horizontální osy (tlačítko HOR). Jak jsme v teoretické části narazili na problémy DSO s aliasingem, tak s tímto přímo souvisí i projevy nastavení akvizičního režimu – při snížené vzorkovací frekvenci připadá na jeden vzorek signálu třeba 100 vzorků z převodníku. Pro zobrazení na displeji pak lze ze všech 100 vzorků vybrat jen jeden, který přesně připadá na onen okamžik (režim Sample), nebo jako signál vykreslím všechny hodnoty mezi Min/Max. Za cenu sice jen jedné hodnoty navíc (pro zápis do paměti) tak mohu dosáhnout takřka analogového zobrazení a vyhnout se tak aliasingu, což se u tohoto přístroje v praxi děje.

Když nastavím třeba krátký mikrosekundový impulz se střídou zlomku procent, tak v režimu sample při pomalé časové základně zcela zmizí signál, nebo se bude nepredikovatelně objevovat a mizet. V režimu akvizice Peak však vždy uvidím obrazovku plnou signálu. Toto se týká zobrazení řekněme samotné křivky signálu. Podobně zásadní je ale nastavení obnovení zobrazení (Low/High), kdy v režimu Low je signál obnovován pravděpodobně s obnovovací frekvencí displeje (cca 50 Hz). V jednom okamžiku je tedy zobrazena vždy jen jedna křivka, i když díky setrvačnosti oka se mohou být průběhy vnímány jako by se překrývaly.

V režimu High ale přichází na řadu opravdu skoro analogový výkon v zobrazení signálu – zde až udávaných 10 000 obnovení/s, kdy je v jednom snímku obrazovky překryto přes sebe i více jednotlivých běhů signálu, tak jako u pravého analogového přístroje. Teoretické maximum při dvoukanálovém měření přitom je jen cca 6x více (s uvažováním délky jedné „waveform“ plných 4000 vzorků, ovšem nemám žádné informace, zda výrobce při deklaraci parametrů uvažoval stejně logicky). Tato schopnost takřka „analogového“ zobrazení je něco, co se ani dnes nevidí u leckterého stolního DSO i výrazně dražšího a po pravdě podobné schopnosti před takovými 25 lety teprve získávaly nejdražší a nejvýkonnější přístroje. DSO z první poloviny 90. let si o nich mohly nechat jen zdát (jejich rychlost obnovy informace byla typicky 10 – 200 Hz a problémy s aliasingem všudypřítomné, a to šlo o přístroje za cenu auta…i dvou).

Možná to tak nevypadá, ale tyto dvě funkce dohromady skutečně znamenají, že z hlediska vzorkování a zobrazení signálu tento malý skopmetr opravdu snese srovnání s analogovým přístrojem (snad kromě jasové informace, nazývaná též osa Z), kde bude nejvýše o řád horší z hlediska obnovy informací, ovšem se všemi výhodami paměťového přístroje. Zároveň je tím zřejmě i elegantně vyřešen aliasing, alespoň pro zobrazení informace na displeji. Do uložených hodnot v souboru CSV však výhody tohoto zobrazení samozřejmě nevtěsnáte (do PNG však ano).

Při zastavení tak zůstane zobrazení podobně jako na obrázku a lze například odečítat charakteristiky signálu třeba kurzory, v případě jakéhokoliv posunutí či změně měřítka však zůstane jen poslední běh signálu podobně, jako v režimu nízké/pomalé obnovy.

Nevýhody

Abych ale jen nechválil – pár věcí je nedotažených. Některé položky menu občas zamrznou a je třeba menu znova vyvolat, eventuálně přepnout jinam a zase zpět. Stává se ale spíše výjimečně. I když ruku na srdce, už jsem jednou musel vyvolat i výchozí nastavení, neboť osciloskop špatně měřil údaje (measure – Freq) a zobrazení nereagovalo na změnu nastavení (způsob akvizice). Bylo v tom ale probíhající měření, připojování a odpojování k počítači, tak toho mohlo být trochu příliš na tak malý přístroj…

Dále je za mě nedotažené ukládání průběhů, protože do vnitřní paměti lze uložit jen jeden kanál (obrázky fungují dobře). Když máme třeba zafixovaný průběh obou kanálů (zastavený náběr dat), tak ani tím si nepomůžeme, protože po uložení jednoho kanálu se data druhého kanálu v zastaveném zobrazení stejně vymažou. Pokud tedy chceme třeba měřit komplexně impedanci, což lze, musíme trochu potupně uložit data postupně a teprve ze dvou CSV souborů skládat vyhodnocení. Tím se ale přesnost trochu ztrácí, neboť nemáme k dispozici data obou kanálů ze stejného měření… škoda.

Při pokusech o hledání detailů v signálu zase narazíme na VF šum, který proniká do AD převodníku a který poněkud degraduje už tak nevelké rozlišení (max 8bit). Při těchto šířkách pásma (řádově 1000x vyšších) a rychlostech prostě nemůžeme počítat s dynamickými rozsahy z audiotechniky.

…na poslední díl se můžete těšit zase za dva týdny.