Perché gli oscilloscopi digitali sono ancora così costosi?

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Sono un principiante nell'elettronica per hobby e mi chiedo perché gli oscilloscopi digitali siano ancora così costosi?

In tempi di CPU GHz economiche, USB 3, modem ADSL, ricevitori DVB-S, lettori blu-ray che hanno tutti frequenze di clock / frequenze di campionamento notevoli, mi chiedo perché un oscilloscopio digitale in grado di campionare segnali di una larghezza di banda di 10 MHz sono ancora molto costosi, 100 MHz sono già di fascia alta.

Come può essere spiegato?
Cosa differenzia l'ADC dagli oscilloscopi digitali da uno dei dispositivi sopra menzionati?

— MRalwasser
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Il fattore più importante sono i volumi di produzione molto più bassi.

— mikeselectricstuff

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Nel mercato dei server hard drive Le unità SAS di fascia alta costano quasi $ 200 per 78 GB, nonostante le unità consumer tipiche siano <$ 100 per un TB. Le tecnologie di qualità consumer hanno tolleranze, requisiti e scopi diversi, per non parlare delle diverse scale di produzione. Non dovrebbe sorprendere che la stessa tecnologia di base possa avere costi così diversi solo a causa di variazioni nei requisiti. Detto questo, i DSO sono molto più economici ora di quanto avrebbero potuto essere, a causa dell'utilizzo da parte del mercato di massa di ADC (anche se di qualità consumer) che consente a più risorse di ricerca e sviluppo di riversarsi nello sviluppo di fascia alta.

— Crasic

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Non penso che siano affatto costosi. Gli oscilloscopi costano una frazione di ciò che hanno fatto 10-15 anni fa. Puoi persino averne uno davvero schifoso per il prezzo di un lettore Blu-ray.

— Morten,

Ora puoi ottenere un oscilloscopio digitale per meno di $ 100 ... seeedstudio.com/depot/dso-nano-v2-p-681.html?cPath=174 Non è il più elegante del mondo, ma adatto a un hobbista per iniziare con.

— Concedi il

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200khz è inutile per molto oltre l'audio.

— Matthew Whited,

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In primo luogo sono d'accordo con altri manifesti per quanto riguarda l' economia di scala . I dispositivi di consumo sono prodotti in milioni mentre un mercato del genere non esiste per gli oscilloscopi digitali.

In secondo luogo, gli oscilloscopi sono dispositivi di precisione . Devono sottoporsi a rigorosi controlli di qualità per garantire il rispetto degli standard previsti. Ciò aumenta ulteriormente i costi.

Per quanto riguarda la larghezza di banda. Il criterio di Nyquist afferma che la frequenza di campionamento dovrebbe essere almeno il doppio della frequenza che si desidera misurare. Ma anche al doppio del ritmo, nella migliore delle ipotesi è terribile. Considera le seguenti immagini:

inserisci qui la descrizione dell'immagine

Le didascalie dei grafici raccontano la storia. È necessario superare di molto la larghezza di banda specificata per ottenere una rappresentazione accurata del segnale di ingresso dell'onda quadra (armoniche ad alta frequenza). E maggiore larghezza di banda = maggiore costo.

Alla fine la precisione, la larghezza di banda e le quantità di produzione limitate che fanno salire i prezzi.

— Konsalik
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Bene, l'interpolazione lineare non aiuta ..

— endolith

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@Autopolato, l'ho chiarito per te. Nyquist ha ancora ragione ma mi riferivo specificamente a quell'onda quadra. Avresti bisogno di una larghezza di banda infinita per acquisirla perfettamente, quindi stiamo perdendo informazioni e non possiamo campionare tutte le armoniche di ordine superiore poiché la nostra frequenza di campionamento è inferiore alle rispettive frequenze di Nyquist.

— Konsalik,

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Un'onda quadra a 20 MHz ha armoniche molto maggiori di 20 MHz. Quindi non è corretto utilizzare una frequenza di nyquist di 40 MHz per un'onda quadra di 20 MHz? Cosa succede quando si utilizza un'onda sinusoidale a 20 MHz?

— Doc

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@Doc: nella maggior parte dei domini applicativi, le onde sinusoidali perfette sono l'eccezione piuttosto che la regola. Se si dovesse campionare un'onda sinusoidale a 19,9 MHz a 40 MHz e quindi passare l'onda ricostruita attraverso un filtro passa basso a muro di mattoni a 19,91 MHz, si otterrebbe indietro l'onda originale a 19,9 MHz. Senza un filtro di ricostruzione, si vedrebbe un'onda di 19,9 MHz sovrapposta a un'onda di 20,1 MHz, che apparirebbe come un'onda di 20 MHz modulata ad anello a 100 KHz. Si noti che gli ambiti in genere non hanno un filtro perfetto, sia perché sarebbe costoso, sia perché ...

— supercat

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@Doc: ... un filtro a muro di mattoni non è sempre la cosa ottimale per catturare la forma "visiva" di un'onda. Ad esempio, il passaggio di un'onda quadra da 10 Mhz perfetta attraverso un filtro a muro da 45 Mhz produrrà un'onda con un calo abbastanza sostanziale in ciascuna delle aree che dovrebbero essere piatte. Se uno non filtrava l'onda quadra prima di catturarla a 100MHz, in modo che ogni onda fosse semplicemente alta cinque campioni e campioni alti bassi, un semplice diagramma dei punti dati sarebbe più simile all'originale di un diagramma dei punti filtrati , ma una ricostruzione del muro di mattoni sarebbe molto meno simile all'originale ...

— supercat

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Economia di scala: gli altri articoli che hai citato sono dispositivi di consumo, prodotti in milioni. Gli oscilloscopi saranno prodotti in migliaia (o meno), il che fa una grande differenza in costi di ricerca e sviluppo ammortizzati, distinta base (distinta base) e di assemblaggio.

— tcrosley
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Ho imparato che l'ADC è uno dei componenti costosi di un DSO, ma perché gli ADC di tali dispositivi di consumo non possono essere utilizzati negli oscilloscopi?

— MRalwasser,

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Gli ADC dei clienti tendono ad essere molto sintonizzati sui requisiti della loro applicazione, in particolare spesso non hanno le buone prestazioni DC o la precisione assoluta necessaria per un ambito.

— mikeselectricstuff

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@MRalwasser - Potrebbero, ma se vuoi un tasso di larghezza di banda decente hai bisogno di un ADC veloce. Ad esempio, il tuo DSO medio a 100 MHz potrebbe avere un ADC da 1 Gsps, dai un'occhiata ai prezzi per questi. Ecco un caso ad esempio (si può ottenere loro più conveniente, ma ancora nelle centinaia)

— Oli Glaser

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I volumi di produzione più bassi sono la causa principale e, in secondo luogo, stai acquistando apparecchiature di prova che è qualcosa di speciale. Se guardi solo allo smontaggio di un DSO economico come un Rigol DS1052vedrai ciò che è richiesto solo per creare un ambito di accesso basso. Hanno 5 doppi ADC (overcloccati, in modo da ridurre già i prezzi!). Se quegli ADC erano $ 4 ciascuno (un'ipotesi casuale, quantità molto grandi), sono già $ 20 sugli ADC. I circuiti digitali per guidare e leggere gli ADC sono probabilmente anche molto costosi (i processori FPGA, CLPD, DSP non sono economici) immagino che il frontend analogico si aggiunga facilmente a 25 $. Poi ci sono costi PCB, produzione, custodia, schermo a colori, scheda del pannello frontale, alimentatore, boxe, spedizione e pagamento per progettare / supportare. Non riesco a vedere come venderebbero quel prodotto a un prezzo ancora inferiore. Penso che il DS1052E sia di circa 300 euro qui in Europa.

Se osservi lo smontaggio di un DSO molto più costoso come Agilent 3000X , penso che gran parte del prezzo vada nella produzione e nella progettazione di quei chip ASIC. I chip ASIC sono IC digitali personalizzati. È come un FPGA, ma con più velocità e "spazio". Immagina di progettare un chip completamente abituato al tuo prodotto. Sono sicuro che costerà loro molti soldi per decollare.

Tornando alle prestazioni "contro PC": quegli ASIC elaborano 1M di forme d'onda al secondo. Per metterlo in prospettiva, se si dispone di un processore in esecuzione a 3GHz, sarebbero necessari solo 3000 tick di clock tra ciascun punto di trigger per elaborare la forma d'onda. Quanti punti pensi ci siano nella memoria delle forme d'onda? Beh, potrebbe essere 4K. Ciò significherebbe che il proccesor deve elaborare 4/3 di un campione in 1 orologio. Non c'è modo! Inoltre, i PC di consumo e la loro velocità di elaborazione sono integrati attorno al sistema operativo, ai bus PCI-e e alle cose di fascia alta molto complesse. Gli ambiti di fascia alta più vecchi utilizzavano schede PC per la post-analisi. Non sono abbastanza veloci per elaborare, visualizzare e analizzare le forme d'onda contemporaneamente.

Si noti inoltre che questo ambito ha una velocità di campionamento massima (in tempo reale) (quindi non è ingannabile con il software) a 4GSa / S. Se includi funzioni come l'attivazione del protocollo seriale (ovvero invii il carattere 'A' su un bus seriale, questo attiverà l'ambito), hai solo bisogno di hardware personalizzato per farlo. Ovviamente, l'oscilloscopio visualizzato costa $ 12K (ora ti procura un'auto decente!) Ma a quanto pare gli ingegneri richiedono questi strumenti, e questo è ciò che serve per realizzarlo.

— Hans
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Come si definiscono le forme d'onda ? Dal mio punto di vista, un DSO a 1 canale ha una frequenza di campionamento specifica e non ci sono "forme d'onda" (bidimensionali) per tick, ma esattamente un valore di campionamento, quindi una CPU moderna sarebbe in grado di gestire una frequenza di campionamento di 1 M / S.

— MRalwasser,

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Ho comprato un oscilloscopio Rigol DS1052E, sulla base della demolizione di Dave Jones eevblog # 37, a maggio di quest'anno per £ 257,76 + £ 31,20 spese postali, monitorato, (vale la pena vederlo avvicinarsi in tutto il mondo, ci sono volute due settimane) da BestOfferBuy . Ne sono felice, e vedo che ora ha un prezzo di circa £ 215, spese postali escluse. Esiste un'altra versione con un analizzatore digitale a 16 canali incluso.

Non ho alcun collegamento con Rigol o BestOfferbuy se non come cliente soddisfatto.

Questo comunicato stampa presumibilmente descrive come possono produrlo così a buon mercato senza sacrificare la qualità:

Superare la concorrenza locale conquista il riconoscimento globale

Il defunto presidente della Camera dei rappresentanti degli Stati Uniti, Tip O'Neill, una volta disse: "Tutta la politica è locale". Rigol Technologies, un produttore di strumenti di Pechino, potrebbe aver scritto il corollario di quella dichiarazione: "Tutti gli affari sono locali".

Fondata nel luglio 1998, la società ha lanciato il suo primo prodotto - un oscilloscopio virtuale progettato per funzionare con un PC - in meno di un anno. Il suo successo ha portato l'azienda a sviluppare oscilloscopi completi e autonomi, nonché a espandersi in altre aree correlate agli strumenti. Nel 2006, la società ha introdotto l'oscilloscopio di archiviazione digitale DS 1000C, che ha ottenuto grandi consensi in Cina.

Il campo di applicazione è stato un passo avanti per Rigol, fornendo un fattore di forma ridotto, memoria profonda, ampie opzioni di larghezza di banda e prezzo basso. E il suo successo ha anche portato una forma comune di adulazione: l'imitazione. Nel 2007, Rigol era il secondo produttore di DSO in Cina e produceva oltre 40.000 DSO all'anno. Lo stesso anno, iniziarono ad apparire anche copie del campo di applicazione di alcuni produttori cinesi. In Cina, dove la protezione della proprietà intellettuale sta ancora maturando, la pratica di "eliminare" il design di qualcun altro era comune. (Da allora, Rigol ha fatto causa con successo ai copisti.)

La rapida copia dei prodotti Rigol ha fatto sì che la società esaminasse la sua strategia aziendale. Uscire dal mercato di fascia bassa non è stato davvero possibile, data l'importanza del mercato dell'istruzione per i piani aziendali attuali e futuri di Rigol. L'altra possibilità era trovare un modo tecnico per prendere le distanze dai copisti. Wang Yue, fondatore e presidente di Rigol, nonché architetto di sistema chiave per la maggior parte delle principali piattaforme di strumentazione dell'azienda, ha deciso di utilizzare le risorse di ricerca e sviluppo di Rigol, il potere d'acquisto e i bassi costi di produzione per creare un prodotto che anche chi lo ha copiato impossibile sottovalutare.

Poiché Rigol utilizza componenti standardizzati, è il più grande acquirente al mondo di ADC commerciali e altre parti DSO. Quindi ha usato questo potere d'acquisto per ridurre i costi delle parti. Credendo che potesse raddoppiare di nuovo il volume quando ha abbassato il prezzo, il team di ricerca e sviluppo ha deciso di creare un progetto di inversione rapida con un ciclo di progettazione di un anno. Il team di produzione ha creato un modo per aumentare il volume con un piccolo costo aggiuntivo e un costo medio complessivo inferiore.

Il risultato è stato il gruppo di prodotti DS 1000E. La linea non sta solo riuscendo nel suo mercato interno, ma anche in Europa e nelle Americhe.

— Harry Weston
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Questo non sembra rispondere alla domanda sul perché i DSO siano molto più costosi dei lettori Blu-Ray.

— Curt J. Sampson,

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Non so molto di politica e business (basso volume di produzione e requisiti di precisione sembrano spiegazioni ragionevoli), ma so che i chip di conversione da analogico a digitale possono diventare molto costosi. Su Digikey, possono incorrere in migliaia e il chip più costoso è $ 14.000 per un ADC a canale singolo!

L' articolo di Wikipedia sugli ADC spiega come questi chip diventano così costosi:

La conversione diretta è molto veloce, capace di frequenze di campionamento gigahertz, ma di solito ha solo 8 bit di risoluzione o meno, poiché il numero di comparatori necessari, , raddoppia con ogni bit aggiuntivo, richiedendo un circuito ampio e costoso. $2^N - 1$

I chip economici si basano sulla conversione di una misurazione di tensione in una misurazione del tempo, come caricare un condensatore e misurare il tempo. Tuttavia, ciò limita la velocità alla quale il chip può funzionare. I più veloci funzionano in parallelo usando un circuito di confronto della tensione per ciascun livello di tensione. Ciò significa che un ADC a 10 bit richiede comparatori per ingresso, oltre a circuiti per convertire ciascuno in un numero binario. Tutto ciò significa che i chip hanno bisogno di ampie aree di silicio, il che aumenta i costi in modo incredibilmente rapido (chiedi a Intel). Sono sicuro che il requisito di precisione aumenta anche i costi e forse anche problemi di capacità di ingresso quando il segnale arriva a 1000 circuiti interni. $2^{10}=1024$

I chip più veloci (GSa / s) tendono ad essere questo tipo di ADC ad alte prestazioni. Quindi, per un oscilloscopio gigasample a 4 canali, questi potrebbero facilmente aggiungere $ 4.000 al prezzo.

— Leigh
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Rispetto agli ambiti analogici, gli ambiti digitali non sono affatto costosi. Non credo sia la tecnologia tanto quanto il mercato a basso volume, come ha appena detto Tcrosley. Anche se costruissi l'ambito con la maggior parte delle parti prodotte in serie disponibili, ci sarebbe comunque il costo di ingegneria non ricorrente (NRE) nella progettazione della cosa, ed è sostanzialmente l'NRE che stai pagando.

— JustJeff
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