Por que os osciloscópios digitais ainda são tão caros?

Sou iniciante em eletrônicos para hobby e estou me perguntando por que os osciloscópios digitais ainda são tão caros?

Em tempos de CPUs baratos de GHz, USB 3, modems ADSL, receptores DVB-S, aparelhos de blu-ray, todos com notáveis ​​frequências de clock / taxas de amostragem, me faz pensar por que um osciloscópio digital capaz de amostrar sinais de uma largura de banda de 10MHz ainda são muito caros, 100MHz já é high-end.

Como isso pode ser explicado?
O que difere o ADC de um osciloscópio digital de um dos dispositivos mencionados acima?

Em primeiro lugar, eu concordo com outros pôsteres quanto à economia de escala . Os dispositivos de consumo são produzidos na casa dos milhões, enquanto esse mercado não existe para os osciloscópios digitais.

Em segundo lugar, os osciloscópios são dispositivos de precisão . Eles precisam passar por rigoroso controle de qualidade para garantir que cumprem os padrões esperados. Isso aumenta ainda mais os custos.

Quanto à largura de banda. O critério Nyquist afirma que a taxa de amostragem deve ser pelo menos duas vezes a frequência que você deseja medir. Mas, mesmo com o dobro da taxa, é terrível, na melhor das hipóteses. Considere as seguintes imagens:

As legendas do gráfico contam a história. Você precisa exceder a largura de banda especificada em uma grande quantidade para obter uma representação precisa do sinal de entrada de onda quadrada (harmônicos de alta frequência). E maior largura de banda = maior custo.

No final, a precisão, a largura de banda e as quantidades limitadas de produção que aumentam os preços.

Economia de escala - os outros itens mencionados são dispositivos de consumo, fabricados na casa dos milhões. Os osciloscópios serão fabricados aos milhares (ou menos), o que faz uma enorme diferença nos custos de P&D, BOM (lista de materiais) e montagem amortizados.

Os baixos volumes de produção são uma das principais causas e, em segundo lugar, você está comprando equipamentos de teste que são algo especial. Se você olhar apenas para a desmontagem de um DSO barato como um Rigol DS1052você verá o que é necessário apenas para criar um escopo de baixa entrada. Eles têm 5 ADCs duplos (com overclock, o que já reduz os preços!). Se esses ADCs eram US $ 4 cada (um palpite aleatório, quantidades muito grandes), isso já é US $ 20 em ADCs. Os circuitos digitais para dirigir e ler os ADCs provavelmente também são muito caros (os processadores FPGA, CLPD, DSP não são baratos). Depois, há custos de PCB, fabricação, gabinete, tela colorida, placa do painel frontal, fonte de alimentação, boxe, remessa e engenheiros pagadores para projetar / dar suporte a ela. Não vejo como eles venderiam esse produto por menos ainda. Eu acho que o DS1052E é de cerca de 300 euros aqui na Europa.

Se você observar a desmontagem de um DSO muito mais caro, como o Agilent 3000X , acho que uma grande parte do preço está na produção e no design desses chips ASIC. Os chips ASIC são CIs digitais personalizados. É como um FPGA, mas com mais velocidade e 'espaço'. Imagine que você projeta um chip completamente acostumado ao seu produto. Estou certo de que isso lhes custará muito dinheiro para decolar.

Voltando ao desempenho 'versus PC': esses ASICs processam formas de onda de 1 milhão por segundo. Para colocar isso em perspectiva, se você tiver um processador rodando a 3GHz, ele terá apenas 3000 tiques de clock entre cada ponto de disparo para processar a forma de onda. Quantos pontos você acha que estão na memória de formas de onda? Bem, pode ser 4K. Isso significa que o procurador precisa processar 4/3 de uma amostra em 1 clock. De jeito nenhum! Além disso, os PCs de consumo e sua velocidade de processamento são construídos em torno de um sistema operacional, barramentos PCI-e e coisas sofisticadas de ponta. Os escopos mais antigos estavam usando placas de PC para pós-análise. Eles não são rápidos o suficiente para processar, exibir e analisar formas de onda ao mesmo tempo.

Observe também que esse escopo possui uma velocidade de amostragem máxima (em tempo real) (portanto, não é complicado com o software) em 4GSa / S. Se você incluir recursos como acionamento de protocolo serial (ou seja, você enviar o caractere 'A' através de um barramento serial, ele acionará o escopo), você precisará de hardware personalizado para fazer isso. Obviamente, o escopo exibido custa US $ 12 mil (você também tem um carro decente agora!), Mas aparentemente os engenheiros precisam dessas ferramentas, e é isso que é necessário para que isso aconteça.

Comprei um osciloscópio Rigol DS1052E, com base no desdobramento do eevblog # 37 de Dave Jones, em maio deste ano por £ 257,76 + £ 31,20 por postagem, rastreada (vale a pena assistir a abordagem em todo o mundo, levou duas semanas) de BestOfferBuy . Estou muito satisfeito com isso, e vejo que agora custa cerca de £ 215, portes exc. Existe outra versão com um analisador digital de 16 canais incluído.

Não tenho conexão com Rigol ou BestOfferbuy, exceto como um cliente satisfeito.

Este comunicado de imprensa descreve supostamente como eles podem produzi-lo tão barato, sem sacrificar a qualidade:

Superar a concorrência local ganha reconhecimento global

O falecido presidente da Câmara dos Deputados, Tip O'Neill, disse uma vez: "Toda política é local". A Rigol Technologies, fabricante de instrumentos de Pequim, pode ter escrito o corolário da declaração: "Todos os negócios são locais".

Fundada em julho de 1998, a empresa lançou seu primeiro produto - um osciloscópio virtual projetado para funcionar com um PC - em menos de um ano. Seu sucesso levou a empresa a desenvolver osciloscópios completos e independentes, bem como a ramificar-se em outras áreas relacionadas a instrumentos. Em 2006, a empresa lançou o osciloscópio de armazenamento digital DS 1000C, que recebeu grande sucesso na China.

O escopo foi uma inovação para Rigol, fornecendo um pequeno fator de forma, memória profunda, opções de ampla largura de banda e baixo preço. E seu sucesso também trouxe uma forma comum de bajulação: imitação. Em 2007, a Rigol era o segundo fabricante de DSOs na China, produzindo mais de 40.000 DSOs por ano. No mesmo ano, cópias do escopo de alguns fabricantes chineses também começaram a aparecer. Na China, onde a proteção à propriedade intelectual ainda está amadurecendo, a prática de "derrubar" o design de outra pessoa era comum. Desde então, Rigol processou com sucesso os copistas.

A cópia rápida dos produtos da Rigol fez a empresa examinar sua estratégia de negócios. Não era realmente possível sair do mercado low-end, dada a importância do mercado educacional para os planos de negócios atuais e futuros da Rigol. A outra possibilidade era encontrar uma maneira técnica de se distanciar dos copistas. Wang Yue, fundador e presidente da Rigol, além de arquiteto-chave de sistemas para a maioria das principais plataformas de instrumentação da empresa, decidiu usar os recursos de pesquisa e desenvolvimento da Rigol, poder de compra e baixos custos de fabricação para criar um produto que mesmo aqueles que o copiaram não poderia vender mais.

Como a Rigol usa componentes prontos para uso, é a maior compradora mundial de ADCs comerciais e outras peças de DSO. Por isso, usou esse poder de compra para reduzir os custos de peças. Acreditando que poderia dobrar o volume novamente à medida que reduzia os preços, a equipe de P&D decidiu criar um projeto de recuperação rápida com um ciclo de design de produto de um ano. A equipe de fabricação criou uma maneira de aumentar o volume com um pequeno custo extra e um custo médio geral mais baixo.

O resultado foi o grupo de produtos DS 1000E. A linha não só está obtendo sucesso em seu mercado doméstico, mas também na Europa e nas Américas.

Não sei muito sobre política e negócios (baixo volume de produção e requisitos de precisão parecem explicações razoáveis), mas sei que os chips conversores de analógico para digital podem ficar muito caros. No Digikey, eles podem chegar aos milhares, e o chip mais caro é de US $ 14.000 para um canal único da ADC!

O artigo da Wikipedia sobre ADCs explica como esses chips ficam tão caros:

A conversão direta é muito rápida, capaz de taxas de amostragem de gigahertz, mas geralmente possui apenas 8 bits de resolução ou menos, uma vez que o número de comparadores necessários, , dobra a cada bit adicional, exigindo um circuito grande e caro.$2^N - 1$

Os chips baratos dependem da conversão de uma medida de tensão em uma medida de tempo, como carregar um capacitor e medir o tempo. No entanto, isso limita a velocidade na qual o chip pode ser executado. Os mais rápidos funcionam em paralelo, usando um circuito de comparação de tensão para cada nível de tensão. Isso significa que um ADC de 10 bits precisa de comparadores por entrada, além de circuitos para converter cada um em um número binário. Isso tudo significa que os chips precisam de grandes áreas de silício, o que aumenta o custo incrivelmente rápido (pergunte à Intel). Tenho certeza de que o requisito de precisão também aumenta o custo, e talvez também problemas de capacitância de entrada quando o sinal passa para 1000 circuitos internos.$2^{10}=1024$

Os chips mais rápidos (GSa / s) tendem a ser esse tipo de ADCs de alto desempenho. Portanto, para um osciloscópio de 4 canais com gigasample, estes poderiam facilmente adicionar US $ 4.000 ao preço.

Comparado aos escopos analógicos, os escopos digitais não são caros. Eu não acho que seja a tecnologia tanto quanto o mercado de baixo volume, como a tcrosley acabou de dizer. Mesmo se você construísse o escopo com as peças produzidas em massa mais disponíveis, ainda haveria o custo de engenharia não recorrente (NRE) no design da peça, e é basicamente a NRE pela qual você está pagando.