Meten: FNIRSI 1014D oscilloscoop

(gepubliceerd op 18-03-2024)

De 1014D van het Chinese FNIRSI is met zijn prijs van ongeveer € 140,00 een gemakkelijk te bedienen instap-oscilloscoop voor de hobbyist die (nog) niet veel geld wil uitgeven aan apparatuur.

Kennismaking met de 1014D oscilloscoop

Fabrikant, leveranciers en prijzen

Hoewel dit apparaat op sommige sites onder een andere naam wordt aangeboden is het toch wel duidelijk dat het Chinese FNIRSI de ontwerper van deze oscilloscoop is. Dit apparaat is populair en wordt door tientallen leveranciers via Banggood, AliExpress en Amazon aangeboden. De prijzen variëren nogal, de laagste prijs die wij op het moment van het schrijven van dit artikel kunnen vinden is € 141,67 bij Banggood.

Laat u overigens niet voor de gek houden door sommige aanbieders die via Google prijzen noemen van ongeveer € 75,00. Als u op die sites gaat zoeken wordt voor dat bedrag een heel ander apparaat aangeboden!

Het uiterlijk van de 1014D

Zoals uit de onderstaande foto blijkt ziet de 1014D er uit zoals een moderne digitale oscilloscoop er uit moet zien. Dank zij de royale afmetingen van de frontplaat van 31,0 cm bij 14,5 cm zijn alle 43 knopjes goed te bedienen. Het apparaat is slechts 7,5 cm diep en weegt 1,5 kg. Met de uitklapbare voetjes staat hij in een goede hoek op de werkbank.

Het uiterlijk van de 1014D. (© AliExpress)

Wat u krijgt voor uw geld

De fabrikant levert een uitgebreid pakket:

       - De 1014D oscilloscoop

       - Een handleiding van 20 pagina's

       - Een netstekker voeding met Amerikaanse stekker

       - Een adapter naar Europese WCD's voor de voeding

       - Een voedingskabel

       - Een USB-A naar USB-A kabel

       - Twee meetprobes

       - Een BNC naar krokodilklemmen kabel

       - Een afregel schroevendraaiertje voor de meetprobes

De leveringsomvang van de 1014D (niet op schaal). (© 2024 Jos Verstraten)

De handleiding

De handleiding is een keurig verzorgd Engelstalig boekje van twintig pagina's. Vreemd genoeg wordt er nauwelijks gebruikt gemaakt van foto's om de werking en bediening van de oscilloscoop te verduidelijken. Wij hebben deze handleiding opgenomen op ons account bij archive.org en u kunt dit boekje bekijken via:

Aanklikbare link ➡ FNIRSI_1014D_Oscilloscope_Manual.pdf

De specificaties van de 1014D

Volgens de fabrikant heeft deze oscilloscoop de onderstaande specificaties:

       - Kanalen: 2

       - Display: 7 inch full-color LCD, 800 x 480

       - Bandbreedte: 2 x 100 MHz

       - Sampling rate: 1 GSa/s

       - ADC breedte: 8 bit

       - Stijgtijd: kleiner dan 3 ns

       - Geheugendiepte: 240 kb

       - Ingangsimpedantie: 2 x 1 MΩ

       - Gevoeligheid: 50 mV/div ~ 5 V/div (7 stappen)

       - Beveiliging: tot 400 V top-tot-top 

       - Ingangskoppeling: AC/DC

       - Tijdbasis: 50 s/div ~ 10 ns/div (30 stappen)

       - Trigger modus: single / normal / auto

       - Triggerwijze: stijgend / dalend

       - Nauwkeurigheid numerieke spanningsweergave: ±5 %

       - Nauwkeurigheid numerieke frequentieweergave: ±0,01 %

       - Voeding: 5 Vdc / 2 A

       - Afmetingen: 310 mm x 145 mm x 70 mm

       - Capture screen: 1.000 beelden

       - Capture golfvormen: 1.000 signalen

       - Frequentie functiegenerator: 1 Hz ~ 10 / 2 MHz

       - Uitgang functiegenerator: 14 golfvormen

       - Uitvoer: via USB

       - Cursors: 2 x horizontaal, 2 x verticaal

       - Numerieke meting: VPP, VP, Vmax, Vmin, Vavg, Vrms

       - Numerieke meting: frequentie, duty+, duty-, tijd+, tijd-, periode

De pluspunten van de 1014D

• Deze oscilloscoop is duidelijk een instapmodel met beperkte functionaliteit, waardoor hij ook door iemand die nog niet erg veel ervaring heeft met dergelijke apparaten heel intuïtief is te bedienen.
• De 1014D heeft geen ingebouwde netvoeding, maar wordt gevoed uit een externe 5 Vdc spanning. Een eenvoudige netstekker voeding wordt meegeleverd maar u kunt het apparaat ook voeden uit een 5 V powerpack dat 2 A kan leveren. De oscilloscoop is dan overal te gebruiken, ook daar waar geen netspanning in de buurt is.
• Met één druk op de knop 'AUTO' berekent de 1014D zélf de beste instellingen van gevoeligheid en tijdbasis.
• Er is een primitieve functiegenerator ingebouwd met een frequentiebereik van 1 Hz tot 10 MHz voor sinus en 1 Hz tot 2 MHz voor alle andere signalen. U kunt kiezen uit 14 in het apparaat aanwezige signaalvormen.
• Het signaal dat op het scherm verschijnt kunt u na een paar eenvoudige handelingen opslaan in het geheugen en gebruiken als zelf gedefinieerd uitgangssignaal van de functiegenerator. 
• U kunt het schermbeeld met één druk op de knop 'S PIC' bewaren in het interne geheugen. Dat geheugen heeft plaats voor 1.000 beelden.
• Met één druk op de knop 'S WAV' kunt u de beide ingangssignalen bewaren in het geheugen en nadien weer oproepen. Het lijkt dan alsof de oscilloscoop die opgeslagen beelden als ingang heeft en u kunt er alle functies van de 1014D op loslaten, zoals tijdbasis en gevoeligheid veranderen, FFT-analyse, etc.
• U kunt de oscilloscoop via een USB-kabel verbinden met uw PC en de opgeslagen beelden exporteren naar de harde schijf.
• U kunt de waarde van in totaal zes parameters van beide ingangssignalen numeriek op het scherm zetten.
• De 1014D kan een zeer rudimentaire frequentie-analyse uitvoeren van beide ingangssignalen volgens een 'Fast Fourier Algorithme'.
• Met de drukknoppen 'H CUR' en 'V CUR' kunt u twee horizontale en twee verticale cursorlijnen inschakelen om tijden en spanningen numeriek te meten.
• U kunt de oscilloscoop omschakelen naar X/Y-modus, waarmee u de bekende Lissajous figuren op het display kunt zetten.
• De twee ingangen zijn beschermd tegen piekspanningen tot 400 V.

De beperkingen van de 1014D

• De verticale gevoeligheid van 50 mV/div is niet spectaculair te noemen. De meeste digitale oscilloscopen hebben een gevoeligheid van minstens 10 mV/div.
• De meegeleverde netstekkervoeding is niet bepaald van een uitstekende kwaliteit en veroorzaakt vreemde verschijnselen (lees verder).
• De gespecificeerde bandbreedte van 100 MHz blijkt in de praktijk zwaar overdreven.
• Hetzelfde geldt voor de bemonsteringssnelheid. Deze wordt gespecificeerd als 1 GSample/s, maar dat is een door de software opgevoerde waarde. De hardware snelheid van de toegepaste ADC bedraagt slechts 200 MSamples/s. Het gevolg is dat er een absoluut stabiel en periodiek ingangssignaal noodzakelijk is om de golfvorm via de software te berekenen en op het scherm te zetten.
• De ingebouwde functiegenerator levert signalen met een vaste top-tot-top waarde van 2,5 V. Dat de grootte van de uitgangsspanning niet instelbaar is maakt deze optie in feite tot een onbruikbaar en overbodig speeltje.
• De gespecificeerde stijgtijd is onzin! De gemeten waarde is veel groter en niet in overeenstemming met de gespecificeerde bandbreedte van 100 MHz.
• De 1014D heeft GEEN externe triggeringang!

Middeling op het beeld

De 1014D is geen real-time oscilloscoop! De 1014D maakt duidelijk gebruik van een techniek die 'middeling' heet. In het Engels gebruikt men hiervoor het woord 'averaging'.

Hierbij wordt een groot aantal opeenvolgende beelden in het geheugen opgeslagen. Nadien berekent de software de gemiddelde waarde van alle bewaarde beelden. Dat 'gemiddelde' beeld wordt dan naar het scherm gestuurd. Het voordeel is dat er een mooi stabiel oscillogram op het scherm verschijnt. Het nadeel is dat korte, eenmalige verschijnselen zoals een stoorpulsje ten onder gaan in het middelingsproces en dus niet op het scherm verschijnen. Bij de meeste digitale oscilloscopen kunt u die 'averaging' in of uitschakelen. Bij de 1014D kan dat niet.

De interne elektronica

De twee delen van de volledig uit kunststof bestaande behuizing zijn door middel van zeven schroefjes met elkaar verbonden. De enige grote print is tegen de frontplaat van de oscilloscoop bevestigd. In de onderstaande foto ziet u de twee zijden van deze print, waarbij wij de foto's van 'pcprogrammer' op 'eevblog' als basis hebben genomen.

Er is verbazingwekkend weinig elektronica op deze print te ontdekken. De meeste chip's zijn onherkenbaar gemaakt. Duidelijk te identificeren zijn een F1C100S en een EF2L45LG144B.

De F1C100S is een system-on-chip (SoC) ontwikkeld door het Chinese bedrijf Allwinner Technology. Het is een relatief eenvoudige interface tussen een systeem en een digitaal display. Een heleboel digitale fotolijstjes maken gebruik van deze chip. De F1C100S is gebaseerd op een single-core ARM926EJ-S-processor met een kloksnelheid tot 900 MHz en de chip bevat een ingebouwde 2D grafische versneller.

De EF2L45LG144B van het Chinese Anlu Technologie Anlogic is een FPGA (Field Programmable Gate Array), een complex logisch blok dat duizenden logische schakelingen bevat die via software op een unieke manier met elkaar kunnen worden verbonden. In deze chip is zonder twijfel de volledige besturingslogica van de 1014D ingebakken.

De twee zijden van de print. (© 2022 pcprogrammer, edit 2024 Jos Verstraten)

Wat opvalt, links op de print en door ons groen omkaderd, is een metalen houder voor een geheugenkaartje. In deze houder zit inderdaad een kaartje en het ligt voor de hand om aan te nemen dat de 1.000 screenshot's die u kunt bewaren op dit kaartje worden opgeslagen. De ingangsschakelingen, door ons rood omkaderd, bevatten ieder drie mini-relais waarmee de ingangsgevoeligheid wordt omgeschakeld. Die relais hoort u duidelijk klikken als de oscilloscoop via de 'AUTO'-functie op zoek gaat naar de beste ingangsgevoeligheid. Beide schakelingen zijn volledig ingeblikt, die afscherming is op de bovenstaande foto verwijderd.

Volgens bronnen op het Internet maakt de 1014D gebruik van twee ADC's van het type AD9288 die de twee analoge ingangssignalen bemonsteren. Iedere chip bevat twee identieke 8 bit brede ADC's met een maximale sampling frequentie van 100 MSa/s. Het is niet goed in te zien hoe met dergelijke chip's een real-time bemonsteringssnelheid van 1 GSa/s gehaald kan worden, zoals de fabrikant beweert. Als beide ADC's in één chip parallel hetzelfde signaal samplen met een in fase verschoven kloksignaal, dan is de sampling frequentie 200 MSa/s. De hardwarematige sampling snelheid ligt dus veel lager en er wordt via de software een oversampling-algoritme toegepast.

Via een in de print aanwezige rechthoekige uitsparing wordt de elektronica verbonden met het display via een platte bandkabel.

Het werken met de FNIRSI 1014D

Problemen met de netstekkervoeding

Wij sloten het apparaat via de meegeleverde netstekker voeding aan op de netspanning. Onmiddellijk na het inschakelen van het apparaat en het aanleggen van een 1 kHz blokspanning op 'CH1' bleek dat het beeld erg onstabiel was en er af en toe vreemde pieken in het signaal te zien waren, zie onderstaande afbeelding. Na wat experimenteren bleek de meegeleverde netstekker voeding het probleem. Na voeden uit een 5 V powerpack verdwenen deze problemen als sneeuw voor de zon en deed het apparaat het uitstekend.
 

De eerste teleurstellende metingen met de 1014D.
(© 2024 Jos Verstraten)

Het display van de 1014D

Het display heeft een breedte van 15,2 cm en een hoogte van 8,5 cm. Rond het deel waarin de twee signalen verschijnen staan diverse gegevens waaruit u de instelling van de oscilloscoop kunt aflezen. Die overvloed aan gegevens op het scherm is noodzakelijk omdat naast de bedieningsknopjes geen teksten staan. De gegevens zijn gegroepeerd en iedere groep bevat de status van een bepaalde functie van de oscilloscoop. Wij hebben dit overzichtelijk samengevat in de onderstaande afbeelding:

       - A: Gegevens van de trigger instelling

       - B: Gegevens van de instelling van kanaal CH1

       - C: Gegevens van de instelling van kanaal CH2

       - D: Zes numerieke gegevens van de beide signalen

       - E: Status van de triggering

       - F: Gegevens van de tijdbasis instellingen

De gegevens die op het display worden weergegeven. (© 2024 Jos Verstraten)

De bedieningsorganen van de 1014D

In de onderstaande foto ziet u dat u de oscilloscoop moet bedienen met 33 drukknopjes, vijf draaipotentiometers (de kleine knoppen) en drie draai-encoders (de grote knoppen). Dat lijkt een heleboel voor de startende hobbyist, maar toch kunt u na enige oefening het apparaat feilloos bedienen. In de onderstaande paragraafjes gaan wij de functie van die knoppen even toelichten.

De bedieningsknoppen van de 1014D. (© 2024 Jos Verstraten)

De opties van het menu

Nu een druk op de knop 'MENU' verschijnt het onderstaand venstertje in het display. Met de cursor-toetsen '▼' en '▲' kunt u een van de elf opties selecteren. Een druk op de knop 'OK' opent deze optie.

De elf opties van het menu.
(© 2024 Jos Verstraten)

Optie 1: Picture browsing

Op het scherm verschijnen alle in het geheugen opgeslagen screenshot's. Met de vier cursor-toetsen '◄', '►', '▼' en '▲' kunt u een van de beelden selecteren. Met de vijf toetsen 'SEL', 'SEL ALL', 'DEL', 'LAST' en 'NEXT' onder het scherm kunt u door de schermen scrollen, de beelden selecteren en wissen.

De menu-optie 'Picture browsing'. (© 2024 Jos Verstraten)

Optie 2: Wave browsing

Identiek voor de in het geheugen opgeslagen signalen. Na selectie van een van de signalen drukt u op 'OK' en verschijnt dit signaal weer op het scherm van de oscilloscoop alsof dat het ingangssignaal is. U kunt er vervolgens alle functies van de oscilloscoop op toepassen.

Optie 3: Output browsing

Hier worden de signalen opgeslagen, die u via de functie 'Capture output' hebt geselecteerd om in de functiegenerator te worden geladen als zelf gedefinieerde signaalvorm.

Optie 4: Capture output

Er verschijnen twee paarse verticale cursor-lijnen die u met de cursors '◄' en '►' kunt selecteren en met de draaiknop naast de cursors kunt verplaatsen over het scherm. Het deel van het signaal tussen de twee cursorlijnen wordt opgeslagen in het 'Output browsing' geheugen.

Optie 5: Screen brightness

U kunt de intensiteit van het display instellen.

Optie 6: Scale brightness

U kunt de intensiteit van de schaalindeling instellen.

Optie 7: Automatic 50%

U kunt de automatische triggerniveau instelling op de helft van de top-tot-top waarde van het signaal aan of uitschakelen.

Optie 8: X-Y mode curve

De tijdbasis wordt uitgeschakeld. Het signaal op 'CH1' zorgt voor de verplaatsing van de spot op en neer (X) en het signaal op 'CH2' zorgt voor de verplaatsing van de spot heen en weer (Y). Met deze optie kunt u de bekende Lissajous-figuren op het scherm schrijven. Hiermee kunt u fase- en frequentieverschillen tussen beide signalen zichtbaar maken.

De menu-optie 'X-Y mode curve'. (© 2024 Jos Verstraten)

Optie 9: Base calibration

Met deze optie kunt u de nullijnen van beide kanalen laten samenvallen met de gele en lichtblauwe driehoekjes links in beeld. Deze optie mag u uitsluitend toepassen met open ingangen!

Optie 10: USB export

Het geheugen van de 1014D wordt een externe harde schijf die u via de 'Verkenner' van Windows kunt openen en beheren. Met deze optie kunt u dus de in het geheugen bewaarde screenshot's exporteren naar de harde schijf van uw PC.

Optie 11: Factory setting

Alle instellingen worden weer gereset naar de fabriekswaarden.

De knoppen 'AUTO' (blauw) en 'RUN/STOP' (rood)

Als u, na het aanleggen van de te meten signalen op de ingangen 'CH1' en 'CH2', op de knop 'AUTO' drukt zal de 1014D automatisch de beste standen van de gevoeligheid en de tijdbasis selecteren, zodat er een mooi rustig beeld op het scherm verschijnt. Met de knop 'RUN/STOP' bevriest u het beeld op het display of zet het apparaat weer aan het werk.

De instelling van beide kanalen

Met de onderste grote draaiknoppen kunt u uiteraard de gevoeligheid instellen tussen 50 mV/div en 5 V/div in 7 stappen. Met de kleinere draaiknoppen verplaatst u de signalen op en neer. Met de drukknoppen 'CH1' en 'CH2' schakelt u de kanalen in of uit. Met de twee drukknoppen 'CONF' definieert u alle instellingen van beide kanalen. Na druk op een van deze knoppen verschijnt het onderstaand venstertje in beeld. 

In dit venstertje kunt u, alweer met de cursor-toetsen en de knop 'OK' het kanaal configureren: 

• Probe:
  U moet hier de verzwakking van de meetprobe invullen, zodat de oscilloscoop deze verzwakking kan incalculeren in de weergave van de numerieke spanningswaarden. 
• Coupling:
  Gelijkspanning in het signaal wordt weergegeven (DC) of niet weergegeven (AC).
• FFT:
  De 'Fast Fourier Transformation' (de frequentiesamenstelling) van het signaal wordt wel of niet op het scherm getoond. Overigens is dat een zeer beperkte versie van een échte FFT, waar u weinig mee kunt. Wat ons betreft had men deze functie kunnen weglaten!
  
  

De instelling van beide kanalen. (© 2024 Jos Verstraten)

De instelling van de tijdbasis

Met de onderste grote ronde knop selecteert u de tijdbasis snelheid tussen 50 s/div en 10 ns/div in 30 stappen. Met de kleinere draaiknop verplaatst u de signalen heen en weer op het scherm. Met de knop 'ORIG' zet u het punt waarop de 1014D triggert in het midden van het scherm. Het groene pijltje aan de bovenzijde van het scherm definieert de plaats van dit triggerpunt.

De instellingen van de trigger

Met de ene draaiknop stelt u uiteraard het triggerniveau in. De vier drukknopjes:

• MODE:
  Kiest tussen 'Single', 'Normal' en 'Auto'. De gebruikelijke optie is 'Auto'. Krijgt u geen stilstaand beeld, selecteer dan 'Normal'. Bij 'Single' wordt er, na het bereiken van het triggerniveau, slechts één beeld geschreven.
• EDGE:
  Selecteer triggering op stijgend of op dalend signaal.
• CHX:
  Triggering op ingang CH1 of ingang CH2.
• 50%:
  Er wordt automatisch getriggerd op een spanning die precies in het midden ligt tussen de maximale en minimale waarde.

De functietoetsen 'F1' tot en met 'F6'

Met deze knoppen kunt u in totaal zes parameters van signaal 'CH1' en/of van signaal 'CH2' numeriek meten. Na het drukken op een van de toetsen verschijnt het onderstaand venstertje op het scherm. Met de cursortoetsen kunt u een parameter selecteren. Druk op 'OK' om deze selectie te bevestigen.

Selecteren van de zes parameters die numeriek op het scherm verschijnen.
(© 2024 Jos Verstraten)

De toets 'SLOW'

Met deze toets kunt de zes draaipotentiometers minder gevoelig maken, zodat u de betreffende functie nauwkeuriger kunt instellen.

De toets 'GEN'

Met deze toets opent u het onderstaand venstertje waarin u het uitgangssignaal van de functiegenerator kunt instellen. U werkt uiteraard weer met de cursor-toetsen en met de 'OK'. Het signaal verschijnt met een vaste top-tot-top waarde van 2,5 V op de groene BNC-connector.

• Freq:
  Hiermee selecteert u uiteraard de frequentie van het uitgangssignaal. De laagste frequentie is 1 Hz, de hoogste voor sinus 10 MHz en voor de overige signalen 2 MHz.
• Duty:
  Definieert voor pulsvormige spanningen de hoog/laag-verhouding van het signaal. U kunt deze parameter instellen van 1 % tot 99 %.
• Type:
  U kunt kiezen uit 14 voorgedefinieerde signaalvormen. Daarnaast hebt u de mogelijkheid zelf één signaalvorm toe te voegen. Dat gaat als volgt. Open het menu en selecteer de optie 'Output browsing'. Selecteer op de reeds beschreven manier een van de signaalvormen die u via de optie 'Capture output' in het geheugen had opgeslagen. Druk op 'OK' en verlaat het menu. Druk vervolgens op de knop 'GEN' en selecteer de optie 'Type'. U ziet nu bij 'Custom' de door u geselecteerde signaalvorm staan.
  
  

Instellen van het signaal van de functiegenerator.
(© 2024 Jos Verstraten)

Test van de oscilloscoop in de 1014D

Inleiding

Uit diverse test van de 1014D die via Google zijn terug te vinden blijkt dat de meeste reviewers van deze oscilloscoop vinden dat de fabrikant veel te optimistische spec's publiceert. Dat geldt dan met name voor de bandbreedte, de sampling rate en de stijgtijd. Uiteraard hebben wij dat zélf getest en wij moeten vaststellen dat onze collega's gelijk hebben. Zowel de gespecificeerde bandbreedte van 2 x 100 MHz als de stijgtijd van kleiner dan 3 ns zijn schromelijk overdreven.

Om een en ander in een competitief perspectief te plaatsen hebben wij bij onze tests onze eigen oscilloscoop, een XDS2102A van OWON als vergelijking gebruikt. Dit apparaat is weliswaar veel duurder dan de 1014D, maar dat komt omdat deze oscilloscoop werkt met 12 bit in plaats van 8 bit en een heleboel functies extra heeft. De gespecificeerde bandbreedte en stijgtijd zijn echter vergelijkbaar: 2 x 100 MHz en kleiner dan 3,5 ns.

Testen van de sampling rate met 50 MHz sinus

Deze grootheid verwijst naar het aantal monsters dat een oscilloscoop per seconde van het ingangssignaal neemt. Een hoge sampling rate heeft een nauwkeurigere reconstructie van hoogfrequente signalen tot gevolg. Volgens het Nyquist-Shannon theorema moet de sampling rate minstens twee keer hoger zijn dan de frequentie van het ingangssignaal om een nauwkeurige reproductie op het scherm te garanderen. Daarom is voor een signaal met een frequentie van 50 MHz een hardwarematige bemonsteringssnelheid van minstens 100 MSa/s nodig. Dat is wat de in de 1014D toegepaste ADC kan. Waarom wordt dan een sampling rate van 1 GSa/s gespecificeerd? Omdat in de meeste digitale oscilloscopen een techniek die 'oversampling' heet wordt toegepast. Daarbij worden de resultaten van bijvoorbeeld vijf of zelfs tien opeenvolgende, maar iets in tijd verschoven sample-cycli door de software in elkaar verweven. Die techniek wordt bijvoorbeeld ook toegepast bij digitale audio.

Bij de reconstructie van het signaal op het scherm van de oscilloscoop wordt een wiskundig algoritme toegepast dat 'sin(x)/x interpolatie' wordt genoemd. Hierbij worden de opeenvolgende signaalmonsters die als puntjes op het scherm verschijnen met elkaar verbonden door lijntjes die de originele vorm van het signaal zo goed mogelijk benaderen.

Om de prestaties van de 1014D bij de weergave van hoge frequenties te beoordelen hebben wij een mooi sinussignaal met een frequentie van 50 MHz van onze sinusgenerator TF2015 van Marconi aan de ingangen van beide oscilloscopen aangeboden. De resultaten ziet u in de onderstaande oscillogrammen. Daar kunnen wij zeer tevreden mee zijn, wij hebben zogenaamde 100 MHz oscilloscopen getest die er bij 50 MHz helemaal niets meer van terecht brengen. Het enige punt van kritiek is dat het signaal niet symmetrisch ten opzichte van de nul-as wordt weergegeven. Het positieve deel is duidelijk groter dan het negatieve deel. Maar daar valt mee te leven!

Let wel dat wij hier uitsluitend de reconstructie van het signaal beoordelen en deze test niets zegt over de bandbreedte!

Een 50 MHz sinus op het scherm van beide oscilloscopen. (© 2024 Jos Verstraten)

Definities van bandbreedte en stijgtijd

Misschien is het voor sommige lezers en lezeressen noodzakelijk eerst even toe te lichten wat wordt verstaan onder 'bandbreedte' en 'stijgtijd' van een oscilloscoop.

De bandbreedte is de frequentie waarbij de schermweergave van een sinussignaal 3 dB kleiner is dan de weergave van een even groot 1 MHz sinussignaal. Omgerekend naar lengte-eenheid komt dat overeen met een afname van de scherm-amplitude met een factor 0,707. Als een 1 MHz sinus wordt weergegeven met een hoogte van 10 cm, dan wordt de bandbreedte bepaald door de frequentie van een even groot signaal dat met een hoogte van slechts 7,07 cm op het scherm van uw oscilloscoop verschijnt. In het onderstaande voorbeeld links zou de oscilloscoop een bandbreedte van ongeveer 64 MHz hebben.

De stijgtijd is de tijd die uw oscilloscoop er over doet om 80 % van de voorflank van een extreem snelle puls weer te geven. Zoals uit de rechter afbeelding blijkt rekent men die 80 % van het tijdstip t1 waarop het apparaat 10 % van de amplitude heeft geschreven tot het tijdstip t2 waarop 90 % van de amplitude is geschreven. In dit voorbeeld is de stijgtijd dus gelijk aan het tijdsverloop tussen de tijdstippen t1 en t2.

Definities van bandbreedte en stijgtijd bij een oscilloscoop. (© 2024 Jos Verstraten)

Testen van de stijgtijd

Wij gebruiken hiervoor een Chinees printje 'Fast Edge Pulse Generator' dat een rechthoekvormig signaal van 1,000 MHz levert met stijg- en daaltijden die gegarandeerd kleiner zijn dan 180 ps. Die waarde valt in het niet vergeleken met de stijgtijden van de oscilloscopen. U kunt dus besluiten dat de stijgtijden die u op de schermen ziet worden veroorzaakt door de elektronica in de apparaten. Dit printje wordt rechtstreeks in de BNC-ingang van de oscilloscoop geprikt. Kabel parameters kunnen de weergave van het signaal dus niet beïnvloeden.

De resultaten van deze test ziet u in de onderstaande figuur. Nu is duidelijk dat de 1014D volledig door de mand valt. De gespecificeerde stijgtijd van kleiner dan 3 ns is onzin, wij meten 11,6 ns. Bij de XDS2102A kloppen de specificaties perfect, de gemeten stijgtijd is 3,04 ns.

Meten van de stijgtijden van beide oscilloscopen. (© 2024 Jos Verstraten)

De bandbreedte berekenen uit de stijgtijd

Tussen de stijgtijd en de bandbreedte bestaat een eenvoudige wiskundige relatie:

Bandbreedte (MHz) = 350 / stijgtijd (ns)

Passen wij deze formule toe op beide oscilloscopen:

       - FNIRSI 1014D: 350 / 11,6 = 30,17 MHz

       - OWON XDS2102A: 350 / 3,04 = 115,13 MHz

Van de claim van FNIRSI dat de 1014D een bandbreedte heeft van 100 MHz blijft dus weinig over!

Rechtstreekse meting van de bandbreedte

Een tweede methode om de bandbreedte van een oscilloscoop te controleren is gebruik te maken van een zeer breedbandige sinusgenerator. Voorwaarde is wél dat dit apparaat gegarandeerd een absoluut rechte amplitude/frequentie-karakteristiek heeft. Hiermee wordt bedoeld dat als u een uitgangsspanning van 1,0 V instelt het apparaat bij alle frequenties een uitgangsspanning van 1,0 V levert. Onze sinusgenerator TF2015 van Marconi voldoet aan deze eis. Zo'n meting gaat als volgt. U voert eerst een signaal toe met een frequentie van 10 MHz en zet de horizontale cursors op de toppen van de sinus. U voert langzaam de frequentie op waarbij u de gevoeligheid van de oscilloscoop uiteraard in dezelfde stand laat staan. De tijdbasis mag u wél sneller instellen. U ziet het signaal op het scherm steeds kleiner worden. Ergens is een frequentie waarbij de top-tot-top waarde van de sinus gelijk wordt aan 70 % van de afstand tussen de twee cursors. Dát is de bandbreedte van de oscilloscoop. 

Wij hebben deze meting toegepast op beide oscilloscopen en gebruiken frequenties van 10 MHz, 20 MHz, 50 MHz en 100 MHz. Om de zware capacitieve belasting van de ingangen van de oscilloscopen te elimineren werken wij in beide gevallen met goed afgeregelde 1/10 probes met een bandbreedte van 100 MHz.

De resultaten zijn samengevat in de onderstaande figuur. Duidelijk blijkt dat de 100 MHz bandbreedte specificatie bij de OWON XDS2102A zonder meer gehaald wordt, maar dat dit bij de FNIRSI 1014D absoluut niet het geval is. De signaalverzwakking tot 70,7 % ligt ergens tussen 20 MHz en 50 MHz. De berekende waarde uit de stijgtijd van 30,17 MHz zal dus wel kloppen! De signaalverzwakking gaat boven 50 MHz zo snel stijgen dat er van een signaal van 100 MHz helemaal niets op het scherm verschijnt.

Let wel dat dit niet wil zeggen dat u nooit een 100 MHz signaal op het scherm van de 1014D zult zien. De TF2015 sinusgenerator levert een zeer klein uitgangssignaal dat bovendien nog tien keer verzwakt (de 1/10 probe!) op de ingang van de oscilloscoop terecht komt. Als u een voldoende grote 100 MHz sinus op de ingang zet (en dan moet u denken aan een signaal met een waarde in het volt-bereik), dan kan de 1014D die wél digitaliseren en zult u vast iets op het scherm zien. Een generator die dergelijke hoge HF-spanningen levert hebben wij echter niet en deze aanname kunnen wij dus niet bewijzen.

 

Rechtstreekse meting van de bandbreedte. (© 2024 Jos Verstraten)

De weergave van een 1 MHz blokgolf

Het printje 'Fast Edge Pulse Generator' levert een supermooie symmetrische blokgolf op met een frequentie van exact 1,000 MHz. De volgende test is hoe beide oscilloscopen dit signaal op hun scherm zetten. De 1014D presteert hier buiten verwachting goed! Ook de numerieke weergave van de frequentie op het scherm is nauwkeurig: 1.00 MHz.

De weergave van een zeer steile 1 MHz blokgolf. (© 2024 Jos Verstraten)

Invloed van de middeling op de weergave van niet-periodieke signalen

Zoals reeds geschreven werkt de 1014D met een niet-uitschakelbare middeling. Het is dus geen real-time oscilloscoop! Die techniek waarbij diverse sampling-cycli door de software in elkaar worden verweven werkt uitstekend voor de weergave van stabiele periodieke signalen. Als u echter een niet-periodiek signaal wilt meten zal er van die meting weinig terecht komen op een oscilloscoop die uitsluitend werkt met middeling.

 

Om te controleren hoe een niet-periodiek signaal wordt weergegeven voeren wij beide oscilloscopen met ruis. Dat is een uitstekend voorbeeld van een niet-periodiek signaal. Uiteraard wordt bij de OWON XDS2102A de 'averaging'  uitgeschakeld, zodat u goed kunt vergelijken. Beide apparaten worden op identieke standen ingesteld: 50 mV/div en 100 ns/div.

U ziet hier duidelijk dat volgens de 1014D het signaal veel kleiner is dan wat de XDS2102A beweert. Met deze beperking van de 1014D moet u in de praktijk goed rekening houden!

De weergave van ruis op beide oscilloscopen. (© 2024 Jos Verstraten)

De lineariteit van de ADC 

Als u aan een oscilloscoop een absoluut lineair stijgende spanning aanbiedt (een ideale zaagtand) moet die spanning ook als een kaarsrechte lijn op het scherm verschijnen. Iedere afwijking wordt veroorzaakt door imperfecties in de werking van de ADC. In de onderstaande afbeelding vergelijken wij wat de 1014D en de XDS2102A ervan maken en wordt weer eens duidelijk waarom de ene oscilloscoop 150 euro kost en een andere 400 euro.

Weergave van een lineair stijgende spanning. (© 2024 Jos Verstraten)

Vertraging tussen beide kanalen

Een van de belangrijkste toepassingen van twee-kanaals oscilloscopen is het vergelijken van de onderlinge tijdrelatie tussen twee signalen. Om dat goed te kunnen doen is het noodzakelijk dat de elektronica in de oscilloscoop geen vertragingen tussen beide kanalen veroorzaakt. Dat hebben wij getest over het volledige frequentiebereik van 0 Hz tot 50 MHz en wij kunnen geen vertragingen vaststellen. In het onderstaand oscillogram ziet u het scherm als u een sinus van 50 MHz aan beide ingangen aanbiedt. Beide beelden zijn volledig identiek.

Testen van de signaalvertraging tussen beide ingangen.
(© 2024 Jos Verstraten)

Test van de functiegenerator in de 1014D

Inleiding

Een van de belangrijkste eisen die u aan gelijk welke signaalgenerator moet stellen is dat u de grootte van het uitgangssignaal nauwkeurig kunt instellen. De in de 1014D aanwezige functiegenerator heeft die optie niet en vandaar dat wij dit eerder overbodig speelgoed dan een bruikbare optie vinden. Tóch hebben wij een paar testjes uitgevoerd waarbij wij uiteraard onze XDS2102A gebruiken om u de resultaten te laten zien.

Het sinussignaal bij 10 MHz

In het onderstaand oscillogram ziet u hoe de sinusspanning met de maximale frequentie van 10 MHz er uitziet. Instellingen van de XDS2102A: 500 mV/div en 20 ns/div. U merkt duidelijk wat signaalvervorming, maar wij zijn over dit resultaat zeer tevreden. Wij hebben al heel wat slechtere functiegeneratoren mogen bewonderen!

De uitgang van de functiegenerator bij 10 MHz sinus.
(© 2024 Jos Verstraten)

Die signaalvervorming wordt snel minder als u de frequentie lager instelt. In de onderstaande foto ziet u bijvoorbeeld de vervormingsanalyse bij 100 kHz. Dan is de totale harmonische vervorming gedaald tot 0,7 %, een uitstekende waarde voor zo'n goedkoop apparaat. Zoals uit de foto blijkt bestaat de harmonische vervorming (blauw signaal) hoofdzakelijk uit digitale ruis, gevolg van imperfecties in de DAC die het analoge signaal genereert uit de digitale codes uit het geheugen. 

De vervorming op een 100 kHz sinussignaal.
(© 2024 Jos Verstraten)

Het rechthoeksignaal bij 2 MHz

Tot slot van deze zeer uitgebreide review/test van de FNIRSI 1014D tonen wij u in de onderstaande figuur het uitgangssignaal van de functiegenerator, ingesteld op rechthoekspanning met een frequentie van 2 MHz.

De uitgang van de functiegenerator bij 2 MHz rechthoek.
(© 2024 Jos Verstraten)

Onze mening over de FNIRSI 1014D

De FNIRSI 1014D zal ongetwijfeld geen lof oogsten van professionele elektronici en van 'alles-uit-China-is-waardeloos'-wappies. Daar is zijn échte bandbreedte te klein voor en zijn échte stijgtijd te groot. Maar als u op zoek bent naar een zeer betaalbaar en gemakkelijk te bedienen instapmodel voldoet deze oscilloscoop uitstekend. Zijn sterke punten liggen uiteraard niet in het uitvoeren van HF-metingen of het nauwkeurig meten van de amplitude van signalen. Maar daar heeft de gemiddelde hobbyist ook geen behoefte aan. Voor de meeste meetklussen aan audio-versterkers, experimenten met Arduino's en dergelijke hobby-activiteiten kan de 1014D zonder enige twijfel uw onmisbaar en betrouwbaar instrument worden. De bedieningselementen zijn eenvoudig en intuïtief te bedienen, de oscillogrammen zijn duidelijk.

Een pluspunt is zonder meer de mogelijkheid het apparaat uit een 5 V powerpack te voeden. Een handige doe-het-zelver zou zelfs een accu, 5 V stabilisator en laad-elektronica in de grotendeels lege ruimte in de behuizing kunnen inbouwen.

De 1014D kan wat ons betreft zonder enig voorbehoud worden aanbevolen aan hobbyisten en scholen en voor het uitvoeren van het grootste deel van de voorkomende reparaties aan elektronica apparaten.



(Banggood sponsor advertentie)
FNIRSI 1014D oscilloscoop