[PT-BR] Análise de desempenho do osciloscópio Hantek 6022BL e gerador de funções DDS AD9850 (Itens b

Este post tem como objetivo realizar uma análise de desempenho do Osciloscópio Hantek 6022BL e do gerador de funções DDS AD9850, visando deixar claro o que os usuários podem esperar quando comprarem os mesmos para utilizarem no desenvolvimento de seus projetos Maker/IoT.

A motivação para este post veio da minha leitura das especificações do Hantek 6022BL e do DDS AD9850. O Osciloscópio informa que possui uma largura de banda de 20MHz, ou seja, teoricamente poderíamos ler sinais de até 20 MHz com o Hantek 6022BL. Contudo, ao experimentar o mesmo com frequências acima de 5 MHz (sinal de onda quadrada) notei que o sinal começa a sofrer distorções.

Ao analisar um osciloscópio da Keysight de largura de banda 500MHz, vi que o nível de amostragem por segundo é de 10G amostras/segundo, isso resulta em 20 pontos por período (na frequência máxima). Quando analisamos isso no Hantek, o mesmo possui 48M amostras/segundo e alega ter uma largura de banda de 20MHz, ou seja, o hantek alega obter 20MHz de largura de banda com apenas 2,4 pontos por período (na frequência máxima), no mínimo estranho ou mágico.

Em vídeos e aulas que assisti ao longo da minha vida acadêmica, os professores sempre mencionaram que uma regra do dedão seria ter ao menos 10 pontos por período para aquisição de um sinal de forma arbitrária. Considerando isso o hantek só poderia adquirir sinais até um limite de 4,8MHz (ainda assim muito bom para aplicações Maker e IoT).

Com relação ao DDS AD9850 o datasheet menciona que pode ir até 125 MHz (apenas a onda senoidal), porém em termos de onda quadrada não visualizei ninguém usando o DDS além de 40MHz.

Com relação ao DDS AD9850 é possível inferir que as frequências em torno de valores divisores perfeitos da frequência fonte (125MHz; 62,5MHz; 31,25MHz; 15.625MHz; 7,8125MHz; 3,90625MHz; 1,953125MHz ; 0,9765625MHz e etc) apresentem menores variações de período e frequência, enquanto para valores sintonizados fora disso apresentem maiores variações.

Então devido a estas dúvidas venho neste post utilizar o DDS apresentado neste post anterior para analisar o desempenho do Hantek apresentado neste post anterior x Keysight para sinais de 1-40MHz.

Este post está dividido em 3 seções: Análise técnica/financeira dos osciloscópios, Experimento realizado para avaliação de desempenho dos osciloscópios e DDS, seguido das conclusões.

1 - Análise técnica/financeira do Hantek 6022BL e Keysight MSO9404A

O slideshow abaixo ilustra o setup montado tanto para teste do DDS AD9850 com o osciloscópio Hantek, e com o osciloscópio Keysight. Nos dois setups ligamos a ponta diretamente no signal do AD9850 e o terra da ponta de prova no GND do AD9850.

Para realizar uma análise mais justa resolvi resumir abaixo as características principais de cada osciloscópio e marcar em vermelho o pior ponto de cada, e em verde o melhor ponto de cada.

Prós de cada osciloscópio: Custo do Hantek (~300 vezes menor) versus quantidade de canais analógicos e largura de banda do Keysight (4 e 500MHz respectivamente).

Contras de cada osciloscópio: Memória/largura de banda no Hantek (400 vezes menor) versus Custo e mobilidade do osciloscópio Keysight.

Gostaria de lembrar que usei o osciloscópio keysight porque era o que tinha disponível para teste, porém existem osciloscópios menos interessantes que o keysight bem mais baratos. Um exemplo seria o Osciloscópio digital da Minipa de dois canais e 50MHz de banda (sem analisador lógico digital) que custa em torno de R$1865,00 (6,5 vezes mais que o Hantek).

2- Experimento realizado utilizando os osciloscópios (Hantek 6022BL e Keysight MSO9404A) com gerador de sinais AD9850 (medidas partindo de 1-40MHz)

O experimento realizado trata-se em gerar os sinais de 1-40MHz (1; 2; 5; 10; 20 e 40 MHz) com o DDS e adquirir a leitura dos mesmos com ambos osciloscópios e analisar os resultados.

Dado que o osciloscópio Keysight possui uma alta banda de 500MHz, quando medimos frequências baixas (menores que 5MHz) o mesmo possui uma característica de limitação de banda (BW limitation), para evitar que ruídos de alta frequência afetem as medidas de frequência e período destes sinais de baixa frequência.

Abaixo ilustro a ativação da limitação de banda (20MHz) seguido dos sinais de 1-40MHz adquiridos.

É possível verificar que para sinais até 5MHz a aquisição é perfeita e sem ruídos de alta frequência. Para sinais acima dessa frequência começamos a identificar uma inclinação cada vez maior (proporcional ao aumento da frequência), o que significa que neste momento precisamos desativar essa função de limitação de banda para obter o sinal de forma correta.

Dado que o Hantek teoricamente atinge 20MHz de banda, as aquisições de sinais obtidas com o osciloscópio Keysight com a limitação de largura de banda ativada deveria ser o comportamento apresentado pelo Hantek 6022BL. Mas não é isso que ocorre (como veremos a seguir).

A partir desse ponto vamos comparar somente os dados 1-40MHz do hantek x keysight (sem bandwidth limitation)

1MHz

Segue abaixo o resultado de ambos os osciloscópios medindo um sinal quadrado de 5 volts de pico-a-pico com 1MHz de frequência de sinal.

Os resultados ilustrados podem ser resumidos na seguinte tabela abaixo.

* Medidas obtidas com o bandwidth limitation ativado (sem o mesmo ativado o osciloscópio apresenta imprecisão na medida de período e frequência devido as rápidas transições relativa a frequência medida)

Comentários: É possível verificar que tanto o hantek quanto o keysight realizam medidas coerentes e bem parecidas (com exceção da medida de pico devido ao hantek não ter banda para pegar essa variação de alta frequência).

2MHz

Segue abaixo o resultado de ambos os osciloscópios medindo um sinal quadrado de 5 volts de pico-a-pico com 2MHz de frequência de sinal.

Os resultados ilustrados podem ser resumidos na seguinte tabela abaixo.

Comentários: É possível verificar que tanto o hantek quanto o keysight realizam medidas coerentes e bem parecidas (com exceção da medida de pico devido ao hantek não ter banda para pegar essa variação de alta frequência). Porém já notamos que de 1 para 2MHz temos um aumento da variação de frequência/período de aproximadamente 6 vezes (de 0,194 para 1,183%).

5MHz

Segue abaixo o resultado de ambos os osciloscópios medindo um sinal quadrado de 5 volts de pico-a-pico com 5MHz de frequência de sinal.

Os resultados ilustrados podem ser resumidos na seguinte tabela abaixo.

Comentários: É possível verificar que tanto o hantek quanto o keysight realizam medidas coerentes e bem parecidas (com exceção da medida de pico devido ao hantek não ter banda para pegar essa variação de alta frequência).

A variação de frequência/período volta ao valor de 1MHz, isso provavelmente acontece devido a resposta em frequência nesta frequência de 1 e 5MHz serem similares enquanto em 2MHz a mesma é pior.

Notamos também que chegamos no limite da performance da aquisição de frequência de onda quadrada para o Hantek em 5MHz.

10MHz

Segue abaixo o resultado de ambos os osciloscópios medindo um sinal quadrado de 5 volts de pico-a-pico com 10MHz de frequência de sinal.

Os resultados ilustrados podem ser resumidos na seguinte tabela abaixo.

Comentários: A partir deste ponto, notamos que o Hantek não consegue mais adquirir uma forma de onda compreensível. É possível verificar que o keysight realiza uma medida coerente.

A variação de frequência/período volta ao valor de 2MHz, isso provavelmente acontece devido a resposta em frequência nesta frequência de 2 e 10MHz serem similares enquanto em 1 e 5MHz a mesma é melhor.

20MHz

Segue abaixo o resultado de ambos os osciloscópios medindo um sinal quadrado de 5 volts de pico-a-pico com 20MHz de frequência de sinal.

Os resultados ilustrados podem ser resumidos na seguinte tabela abaixo.

Comentários: O Hantek não consegue adquirir uma forma de onda compreensível. É possível verificar que o keysight realiza uma medida coerente.

A variação de frequência/período disparam para valores 16-22 vezes maiores que o máximo registrado até aqui. Isso provavelmente ocorre devido a resposta em frequência do DDS ter um valor realmente bem deteriorado para essa frequência.

40MHz

Segue abaixo o resultado de ambos os osciloscópios medindo um sinal quadrado de 5 volts de pico-a-pico com 40MHz de frequência de sinal.

Os resultados ilustrados podem ser resumidos na seguinte tabela abaixo.

Comentários: O Hantek não consegue adquirir uma forma de onda compreensível. É possível verificar que o keysight realiza uma medida coerente.

A variação de frequência/período continuam em valores 16-22 vezes maiores que o máximo registrado até 10MHz. Isso ocorre devido a resposta em frequência do DDS ter um valor realmente bem deteriorado para essa frequência.

Bónus: Análise de frequência limite do DDS com osciloscópio Keysight com baixa variação do período/frequência.

Devido a alta variação de período/frequência da forma de onda quadrada gerada pelo DDS para frequências acima de 20MHz, resolvi adquirir as informações em valores divisores perfeitos da frequência fonte em torno dessa região (125MHz/2 = 62,5MHz e 125MHz/4 = 31,25MHz).

Seguem abaixo os resultados medidos com o osciloscópio keysight medindo um sinal quadrado de 5 volts de pico-a-pico com 31,25MHz e 62,5MHz de frequência de sinal sintonizado no DDS.

Os resultados ilustrados podem ser resumidos nas seguintes tabelas abaixo.

Comentários: É muito interessante ver que para frequência de 31,25MHz temos um erro muito próximo da frequência de 10MHz (ponto bem positivo com relação a performance do DDS), porém identificamos que não é interessante do ponto de vista de performance do DDS trabalhar em frequências maiores que 31,25MHz.

4 - Conclusões

De forma curta e direta:

O osciloscópio Hantek 6022BL funciona bem para aquisição de frequências até 5MHz.

O DDS AD9850 funciona bem para geração de ondas quadradas de frequencia contínua até 10MHz, e para frequências maiores baseadas nos divisores da frequência fonte (31,25MHz e 15,625MHz).

Fora destas condições não aconselho o uso do Hantek 6022BL e do DDS AD9850

Sobre o modo analisador lógico sugiro você acessar o seguinte post: https://www.letsdothismaker.com/single-post/2017/08/21/PT-BR-Itens-b%C3%A1sicos-e-baratos-para-laborat%C3%B3rio-maker-Gerador-de-sinais-AD9850-Arduino onde configurei e usei o mesmo para ver o padrão de protocolo do Arduino com o chip gerador de sinal AD9850 (comunicação SPI).

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