Особенности подхода к многофункциональным осциллографам

Максим Писковацков,
руководитель направления измерительного оборудования общего назначения
mvp@dipaul.ru

На весенней московской выставке «ЭлектронТехЭкспо-2016» — одном из крупнейших российских событий в области электронных компонентов и технологического оборудования — многие компании-участники представили инструменты и измерительные приборы, уже поступившие в продажу или ожидаемые в ближайшее время. Это оборудование определяет, в каком направлении движется индустрия, и характеризует происходящие изменения. Сегодня наблюдается интенсивное обновление линеек, которые актуализуются в соответствии с последними трендами, однако не обходится и без интересных новинок.

Сегодня мы поговорим об осциллографах общего назначения, поскольку именно эти приборы наиболее востребованы у разработчиков и занимают большую часть рынка цифровых осциллографов.

Компания Keysight Technologies (США), развивая свой пятилетний опыт успешных продаж осциллографов общего назначения, внедряет все более широкие функциональные возможности в семейство осциллографов InfiniiVision. На сей раз обновление коснулось хорошо известной и зарекомендовавшей себя серии 3000А, которая впервые продемонстрировала пользователям возможности интеграции нескольких измерительных приборов в единую систему. Новинка, по сути, выглядит почти идентично модели 3000А, за исключением клавиши Touch, добавленной в область управления вертикальной развертки передней панели прибора и предназначенной для активации сенсорного дисплея. Именно благодаря ему модель получила название 3000T (T — тачскрин). Производитель не зря выбрал в качестве основы серию 3000А, поскольку она полностью покрывает диапазон полосы пропускания 100 МГц — 1 ГГц, требуемый в этой области применения, и имеет высокопроизводительную архитектуру Megazoom IV поколения, о возможностях которой и пойдет речь в статье. Также будут рассмотрены нововведения, перенятые от старшей серии InfiniiVision-Х 4000А при внедрении сенсорного емкостного дисплея.

Технология Megazoom IV по-прежнему уникальна

Еще на этапе проектирования серии 3000A перед производителем стоял вопрос, какая архитектура памяти должна стать основой для будущих моделей? Пойти проторенной дорогой, выбрав архитектуру на основе центрального процессора (ЦПУ), или разработать принципиально новую схему? Это вопрос важен потому, что в основе любого цифрового осциллографа находится процесс дискретизации аналогового сигнала, его последующей записи и вывода на экран. Следовательно, каждого пользователя цифрового осциллографа в первую очередь интересует два зависящих друг от друга параметра: частота дискретизации и глубина записи, от которых напрямую зависит точность оцифровки сигнала на различных коэффициентах временной развертки. Рассмотрим пример, в котором сравниваются значения частоты дискретизации двух одинаковых осциллографов с разной глубиной записи на общих коэффициентах развертки:

Проанализировав таблицу 1, в которой значения частоты дискретизации были получены из расчета: глубина записи / ((коэфф. развертки) × 10 делений), где 10 делений — типовое значение количества делений координатной сетки осциллографа по оси Х, становится очевидным, что чем больше глубина записи, тем точнее пройдет оцифровка при длительном захвате сигнала. Почему же разработчики 3000A отказались от стандартной архитектуры записи сигнала, тогда как можно было просто увеличить глубину памяти? Ответ кроется в блок-схеме самой архитектуры сбора данных на базе ЦПУ и концепции разрабатываемого прибора.

При проектировании серии InfiniiVision производитель стремился к созданию многофункционального прибора, объединяющего несколько функций отдельных устройств в единую систему, а также к высокому качеству отображения сигнала, приближенного к качеству и скорости обновления осциллограмм аналоговых осциллографов.

Рассмотрим блок-схемы двух принципиально разных архитектур захвата и обработки сигнала:

На схеме (рис. 1) видно, что большая часть функций прибора, таких как интерполяция точек sinX/X, усреднение осциллограмм, построение осциллограмм логического анализатора (ЛА), математические вычисления, а также расчет автоматических измерений, полностью ложится «на плечи» ЦПУ. Отсюда следует, что чем больше глубины записи мы предоставляем осциллографу и задействуем его функций, тем сильней увеличивается нагрузка на ЦПУ.

Перейдем к архитектуре Megazoom.

Как можно видеть из схемы на рис. 2, за каждую функцию осциллографа отвечает своя часть интегральной схемы, что позволяет ЦПУ сосредоточиться на том, что он делает лучше всего — отображает сигнал. Другой причиной отказа производителя от архитектуры на базе ЦПУ стал низкий показатель скорости обновления осциллограмм на экране прибора, который в данном случае полностью зависит от нагрузки процессора.

Скорость обновления (обратная «мертвому времени») — это параметр осциллографа, который определяет, насколько быстро осциллограф может произвести запуск, обработать захваченные данные и затем отобразить их на экране (рис. 3).

На самом деле параметр «скорость обновления» не менее важен, чем частота дискретизации и глубина памяти, так как от него во многом зависят ваши шансы обнаружения редких событий сигнала. Подсчитать эти шансы вполне возможно. Для этого воспользуемся нижеприведенной формулой. Сразу следует отметить, что рассчитываются они как вероятность захвата редкого события за определенное количество времени:

Pt = 100×(1–[1–RW](U×t)) (1)

Здесь Pt — вероятность захвата аномалии за t секунд; t — время наблюдения; U — значение скорости обновления осциллографа; R — частота возникновения редкого события; W — ширина окна визуализации сигнала (то есть коэффициент временной развертки х 10).

Из формулы (1) следует, что для успешного захвата редкого события сигнала потребуется либо высокая скорость обновления осциллограмм, либо больше времени на его наблюдение. Другими словами, для захвата редкого события, происходящего пять раз в секунду, время наблюдения на одном осциллографе займет 5 секунд, а на другом — свыше 12 часов.

Теперь рассмотрим, как архитектура захвата и обработки сигнала используемая в осциллографах, влияет на параметр скорости обновления. Для этого обратимся к таблице 2, в которой сравниваются параметры скорости обновления, частоты дискретизации и глубины памяти двух одинаковых осциллографов с разными архитектурами захвата и обработки сигнала.

Видно, что по строке 3 таблицы 2 при включении дополнительной функции — логического анализатора, скорость обновления осциллограмм на приборе с архитектурой на базе ЦПУ резко падает, в то время как у Megazoom скорость меняется только за счет переключения коэффициента развертки. То же самое происходит при увеличении глубины записи (строка 5 таблицы 2). Если мы установим глубину записи в размере 100 к точек для поддержания параметра частоты дискретизации 5 Гвыб/с, скорость обновления осциллографа с архитектурой на базе ЦПУ упадет в 4,5 раза.

Еще один момент, на который нужно обратить внимание, — автоматическая подстройка глубины записи архитектуры Megazoom, которая позволяет поддерживать параметр частоты дискретизации на нужном уровне (5 Гвыб/с, строка 4 таблицы 2). Осциллограф с архитектурой на базе ЦПУ ведет себя иначе, он сохраняет параметр глубины записи на прежнем уровне (10 к точек), видимо, для поддержания приемлемой скорости обновления, а частота дискретизации падает в два раза.

Вообще, максимальный объем памяти, который поддерживает технология Megazoom IV, равен 4 М точкам. Не так много, если требуется захват продолжительного по времени сигнала. Но всегда ли нам нужен полный захват сигнала со всеми его участками простоя между событиями (например, радарный импульс) или посылка кадра/пакета последовательной шины? Несмотря на то что такие участки присутствуют в сигнале, стандартный осциллограф все равно произведет их запись. Архитектура Megazoom предлагает иной подход к расходу памяти под названием «Сегментированная память».

Сегментированная память

Захват с применением сегментированной памяти позволяет выборочно собирать и хранить информацию о важных особенностях поведения сигнала без сбора ненужных данных о периоде отсутствия активности сигнала, сохраняя при этом временную метку каждого сегмента относительно первого события запуска, что помогает анализировать частоту события. У осциллографов 3000T серии X сегментированная память входит в стандартную комплектацию. На рис. 4 показан успешный захват 100 малых и крупных выбросов с помощью сегментированной памяти при 5 Гвыб/с за 47 с. При традиционной архитектуре памяти для получения такого результата потребовалась бы память глубиной почти 203 Гвыб! Подобной памяти нет ни у одного представленного на рынке осциллографа.

Подводя итог темы архитектуры захвата и обработки сигнала, можно сказать следующее: для классических цифровых запоминающих осциллографов, обладающих 2 или 4 аналоговыми каналами и необходимых в основном для точной оцифровки и единичного захвата продолжительного по времени сигнала, архитектура на базе ЦПУ вполне приемлема. Многофункциональные осциллографы, объединяющие функции отдельных приборов, в частности логического анализатора, анализатора протоколов, генератора сигналов, требуют иного подхода, такого как Megazoom IV. Именно его выбрал производитель при разработке модели 3000А Keysight Technologies (ранее Agilent).

InfiniiVison 3000T

Теперь рассмотрим новшества, которые перешли от старшей серии InfiniiVision-Х 4000А при внедрении сенсорного емкостного дисплея. Первое, на что необходимо обратить внимание, — возможность управления прибором тремя различными способами, удовлетворяющими любого пользователя. Программные клавиши и ручки на передней панели предназначены для пользователей осциллографов, верных традициям, выпадающие меню Keysight Insight (рис. 5) — для пользователей, которым больше нравится работа с интерфейсом типа Windows, а сенсорный экран — для тех, кто привык к планшетам и смартфонам.

У большинства пользователей может возникнуть вопрос, зачем оснащать осциллограф сенсорным экраном, когда на практике удобнее использовать ручки и клавиши. Существует как минимум две причины использовать сенсорный экран на 3000T. Первая — это удобство навигации и перемещения осциллограмм по экрану, сравнимое с удобством скроллинга веб-страниц на смартфоне, и вторая — зоновый триггер (запуск по выделенной зоне). Управление прибором с помощью сенсорного экрана стало значительно удобнее, благодаря полной переработке графического интерфейса, который специально адаптирован для работы пальцем (рис. 6).

Зоновый триггер

С возникновением осциллографа появился и утомительный процесс синхронизации развертки с исследуемым сигналом. При работе с аналоговым осциллографом для этого приходится набраться терпения, цифровые же устройства несколько упрощают процесс, предоставляя пользователю набор критериев, по которым можно произвести синхронизацию (уровень сигнала, ширина импульса, время нарастания и т. д.). Однако не всегда этих критериев достаточно, и процесс синхронизации отнимает много времени. Хороший пример — сигнал с редкой помехой или прямоугольный импульс с немонотонными фронтом (рис. 7).

Представьте, что для понимания причин сбоев необходимо произвести запуск по нестабильным участкам сигнала. Вы готовы сделать это за несколько секунд? Скорее всего, нет, а с 3000T на это потребуется не больше трех секунд! На осциллографе 3000T процесс синхронизации с использованием зонового триггера сводится к двум основным действиям:

• выделить пальцем на экране область вокруг интересующего участка сигнала;
• выбрать условия запуска (должен или не должен пересекать).

В итоге пользователь получает неподвижное изображение на экране в непрерывном режиме работы захвата сигнала. В общей сложности можно задать до четырех зон условия, что идеально подходит для отладки сигналов последовательных шин передачи данных. Зоновый триггер является стандартной функцией моделей серии 3000T и доступен в базовой конфигурации прибора.

Оконное БПФ

Еще одна полезная функция, прежде отсутствовавшая в осциллографах серии 3000А, — оконное БПФ, позволяющее выполнять коррелированный анализ сигнала в частотной и временной областях. При задействовании оконного БПФ осциллограф переходит в режим зума (рис. 8). Результат анализа БПФ, отображаемый в окне увеличения (нижнем окне), соответствует периоду времени, заданному рамкой в основном (верхнем) окне. Для исследования изменения результатов БПФ во времени достаточно прикоснуться к рамке и протащить ее по захваченной области, устанавливая корреляцию РЧ-событий с событиями в аналоговых и цифровых сигналах.

На рис. 8 показан простой пример оконного БПФ, соответствующего изменению частоты РЧ-сигнала от 400 до 200 МГц с временной корреляцией как с управляющим сигналом шины SPI (цифровым сигналом), так и с сигналом управления генератора, управляемого напряжением (аналоговым сигналом). Следует обратить внимание на возможность визуализировать и сам РЧ-сигнал во временной области для получения дополнительных сведений, таких как пропуск в РЧ-сигнале во временной области. Из отличий от предыдущего флагмана 3000A нужно отметить, что для включения БПФ теперь предусмотрена отдельная клавиша в правой части панели управления прибором. Ранее преобразование приходилось отыскивать в меню математических измерений, что было очень неудобно.

Кроме того, встроенный генератор сигналов стандартной/произвольной формы на 20 МГц получил несколько улучшений, повышающих простоту и удобство работы. Главный плюс заключается в возможности сохранения в памяти захваченного осциллографом сигнала в формате .arb и последующего его воспроизведения на генераторе произвольной формы. Такое копирование особенно полезно, когда используемый для стимуляции разрабатываемого устройства сигнал имеет сложности с повторяемостью. К дополнительным преимуществам можно отнести обновленный интерфейс редактора сигналов произвольной формы, который позволяет начертить нужный сигнал одним пальцем, опять же не без участия емкостного сенсорного экрана (рис. 9).

Встроенный цифровой вольтметр, по прежнему остался 3-разрядным, однако теперь его показания, как, впрочем, и любые другие, можно перемещать по всему рабочему пространству экрана, чего также не доставало в 3000А.

Встроенному частотомеру добавили точности, увеличив количество разрядов сразу на три единицы. Теперь 8-разрядного частотомера вполне достаточно, чтобы сэкономить на приобретении лабораторного электронно-счетного частотомера базового уровня.

Еще одна интересная особенность — функция сумматора опции частотомера, которая добавляет осциллографу еще одну важную возможность. Она позволяет считать количество событий, а также отслеживать количество событий, удовлетворяющих условию запуска. Сумматор событий запуска не требует фактического срабатывания триггера. Ему нужно только появление события, которое удовлетворяет условию запуска. Другими словами, сумматор способен отслеживать события быстрее скорости срабатывания триггера осциллографа: до 25 млн событий в секунду (зависит от «мертвого времени» осциллографа, которое равно минимум 40 нс).

Цена и эксплуатационные расходы

Что касается стоимости новой разработки, она практически не изменилась по сравнению с 3000A, более того, такие опции, как расширенная память до 4 М точек, сегментированная память, расширенные математические функции, за которые ранее приходилось выкладывать приличную сумму, входят в базовую конфигурацию модели 3000T. К примеру, самая младшая модель серии DSOX3012T c полосой пропускания 100 МГц и 2 аналоговыми каналами обойдется примерно в $4200, а топовый MSOX3104T c полосой 1 ГГц, 4 аналоговыми каналами и 16-канальным логическим анализатором — примерно в $19200. К другим приятным отличиям можно отнести единое для всех моделей значение частоты дискретизации 5 Гвыб/с, возможность выбора 2-канальных моделей на 200 МГц (ранее были доступны только 4-канальные), а также 500-МГц пассивные пробники в стандартной комплектации, в том числе и для моделей осциллографов с полосой 100, 200 и 350 МГц.

Осциллографы 3000T обладают крайне низкой стоимостью эксплуатационных расходов. Благодаря стандартной для серии 3-летней гарантии, средней наработке на отказ более 250 000 ч (показатель, лидирующий в отрасли) и межповерочному интервалу (2 года) можно быть уверенными, что инвестиции в осциллографы 3000T будут защищены на несколько лет вперед. Кроме того, поскольку потребности со временем меняются, приобрести можно то, что требуется именно сегодня, а затем, по мере развития своих проектов, легко модернизировать осциллограф, включая расширение полосы пропускания и дополнительные функциональности.

Можно сказать, что у Keysight получился весьма удачный апгрейд. А как дела обстоят у других? Узнайте это в следующих выпусках нашего издания.