CC BY
15Как потратить
миллион рублей на покупку цифрового осциллографа
и что из этого выйдет?
Если читатель занят серьезной научной работой, тестирует или проектирует современные электронные устройства, компоненты и технологии, он бывает вынужден приобретать современные осциллографы — «глаза» человека в мире радиоэлектронных процессов. Но современный цифровой осциллограф даже среднего класса — дорогой прибор, стоимостью под миллион рублей. Если вы имеете такую сумму, то перед вами неизбежно встают вопросы: какой прибор из множества похожих моделей следует приобрести и что вы получите от этой покупки? Попытка ответа на них дана в этой статье. В ней также приведен обзор новейших серий и моделей цифровых осциллографов ведущих компаний мира, созданных за последние пару лет.
Владимир ДьЯКОНОВ, д. т. н., профессор
vpdyak@yandex.ru
Особенности современных цифровых осциллографов
Цифровые запоминающие осциллографы среднего класса (по мировым меркам) к дешевым приборам не отнесешь. Стоимость их лежит в диапазоне от $10 000 до примерно $30 000. Однако, приобретая такой прибор, пользователи получают новейшие средства не только для отображения сигналов и процессов, но и для цифровой обработки наблюдаемых осциллограмм. Эти средства включают возможность их хранения, математической обработки (как внутри прибора, так и с помощью подключаемых к ним внешних компьютеров), а также автоматического измерения и анализа множества параметров сигналов [1, 2] (в том числе с помощью систем компьютерной математики [3]). Полоса частот исследуемых сигналов у этих приборов — от 0,35 до 5 ГГц, а время нарастания — от 1 нс до 100 пс и менее.
С цифровыми осциллографами удобно работать в режиме реального времени, что требует высокой скорости дискретизации входных сигналов (до десятков Гвыб./с) и применения сверхскоростных аналого-цифровых преобразователей. Согласно теореме Котельникова (за рубежом именуемой также теоремой Найквиста), если спектр сигнала ограничен высшей частотой В то он без потери информации может быть представлен дискретными отсчетами с числом, равным 2^. Однако это вовсе не реальная, а лишь минимальная теоретическая оценка. На практике нужно использовать число от-
счетов не менее (2,5^10)/В и применять интерполяцию сигнала между отсчетами.
Теоретически лучшей является интерполяция (восстановление сигнала) на основе функции Бт(£)/£, на которой и построена теорема Котельникова. Но она сложна и дает выбросы между отсчетами. Поэтому находят применение и более простые виды интерполяции, например ступенчатая или линейная. У большинства описанных ниже осциллографов обычно есть выбор типа интерполяции, сильно влияющий на качество отображения сигналов малой длительности.
Обычно сигналы воспроизводятся с тем же шагом, что и при их дискретизации. Именно это и означает работу в реальном масштабе времени. Другой путь — выполнение дискретизации при случайном расположении отсчетов. Для высокочастотных периодических сигналов такая мера вместе со статистической обработкой (накоплением, усреднением и сглаживанием) нередко позволяет заметно повысить разрешающую способность осциллографа, но за счет увеличения скорости вывода осциллограмм. Это и лежит в основе стробоскопических осциллографов.
При некоторых измерениях важна скорость обновления осциллограмм. Дело в том, что обычно цифровой осциллограф вначале накапливает отсчеты и проводит их обработку и лишь затем строит осциллограммы сигнала. Это снижает скорость обновления осциллограмм. Все компании стараются повысить скорость обновления различными способами, и у некоторых моделей она доведена до миллиона осциллограмм в секунду.
В выборе осциллографа решающее значение имеет его полоса частот, объем памяти осциллограмм, а также стоимость прибора и применяемых опций и аксессуаров. Как правило, эти параметры взаимосвязаны, и за миллион рублей вряд ли можно прибрести осциллограф с полосой частот выше 1-2 ГГц и памятью в десятки миллионов отсчетов. Большое значение имеют размеры приборов, их вес и потребляемая от сети мощность. Наконец, нельзя не учитывать размеры, разрешающую способность экрана и даже внешний вид приборов.
Собственно осциллограф стоит лишь часть средств, затраченных на его приобретение. Опытный пользователь не должен забывать о многочисленных программных и аппаратных опциях и аксессуарах для осциллографа, включая пассивные и активные пробники и даже сумки для переноски. Их стоимость при больших «аппетитах» пользователя быстро растет и может превысить цену самого осциллографа.
Сравнительные характеристики современных осциллографов
Зададимся целью оценить, что получает пользователь, рискнувший затратить миллион рублей на приобретение современного цифрового осциллографа среднего класса, который наиболее часто применяется в серьезных исследованиях и разработках электронных компонентов, изделий, систем и технологий [1, 2]. Обзор рынка показал, что такие приборы выпускают лишь
Таблица 1. Сравнительные характеристики современных осциллографов
Тип и серия осциллографа Tektronix DPO/MSO 5000A Tektronix MDO 4000 Agilent DSO/MSO 9100A LeCroy WR 6100/HRO6000 LeCroy HDO4000/HDO6000 Rohde&Schwarz 1000
Архитектура Открытая Закрытая Открытая Открытая Открытая Закрытая
Анализ спектра Программируемый Программно-аппаратный Программируемый Программируемый Программируемый Программно-аппаратный
Полоса частот аналоговая, ГГц 0,35; 0,5; 1; 2 0,1; 0,35; 0,5; 1 0,6; 1; 2,5 0,4; 0,6; 1; 2; 2,5 / 0,4; 0,6 0,2; 0,35;-0.5;1/0,35; 0,5;1 0,6; 1; 2; 4
Скорость дискретизации, Гвыб./с 10/5 2,5 и 5 20/10 20/10 2,5 80; 40; 20; 10
Память осциллографа (стандартная), Мбайт 12,5 20 20/40 16/32 12,5/50 20; 40; 80
Скорость обновления осциллограмм 0,31 млн/с 50000/с 0,25 млн/с 1 млн/с 0,75 млн/с 1 млн/с
Разрядность, бит 8 8 8 8/12 12 8
Погрешность амплитудная, % 1,5 1,5 2 1,5/0,5 0,5 1,5
Развертка 200 пс/дел. - 1000 с/дел. 0,4/1 нс/дел. - 1000 с/дел. 5 пс/дел. - 20 с/дел. 20 пс/дел. - 1000 с/дел. 20/200 пс/дел. - 1000/2500 с/дел. 25 пс/дел. - 50 с/дел.
Разрешение экрана 1024x768 (ХЭА) 1024x768 (ХЭА) 1024x768 (ХЭА) 1280x800 (31 см по диагонали) 1280x800 (31 см по диагонали) 1024x768 (ХЭА)
Габариты, мм 233x439x206 229x439x137 230x430x230 297x418x227 292x400x131 249x427x249
Вес (нетто), кг 6,7 5 11,8 11,6 5,86 9,6
Потребляемая мощность 275 Вт 225 Вт 375 Вт 600 Вт 200-350 Вт -
Рабочая температура, °С +5...50 +0.50 +5.40 +5.40 +5.40 +5.40
Гарантия 1 год 3 года 3 года 3 года 3 года 1 год
Примерная стоимость 1-ГГц модели 887 тыс. руб. 1147 тыс. руб., 845 тыс. руб. (0,5 ГГц) 880 тыс. руб. 839 тыс. руб. (акция — 610 тыс. руб.) 744/901 тыс. руб. 902 тыс. руб.
несколько компаний с мировым именем (Tektronix, Agilent, LeCroy и др.). Бюджетные модели и очень дорогие осциллографы с полосой частот выше 1-2 ГГц в этой статье не рассматриваются. В мире автомобили и самолеты разрабатываются и выпускаются куда большим числом фирм, чем высококачественные осциллографы, и это лишь подчеркивает сложность создания и серийного производства этих приборов. Поэтому не стоит удивляться, что стоимость осциллографа среднего класса вполне соответствует цене приличного автомобиля.
В литературе обычно детально описываются приборы конкретных компаний. При этом часто, вольно или невольно, подчеркиваются достоинства приборов определенной фирмы и скрываются их недостатки. Только совместное сравнительное описание позволяет учесть достоинства и недостатки осциллографов. Ниже дано такое описание для ряда наиболее известных современных моделей осциллографов (табл. 1).
Цифровые осциллографы фирмы Tektronix
Корпорация Tektronix (www.tek.com) издавна занимает лидирующее место в разра-
ботке электронных осциллографов — как бюджетных, так и высшего класса. В последние годы это, прежде всего, цифровые осциллографы, работающие в реальном масштабе времени. Доля Tektronix на мировом рынке таких приборов — более 5О%. Цифровые осциллографы этой корпорации ценятся за элегантный внешний вид, высокую надежность, малые габариты, небольшой вес и умеренную мощность, потребляемую от сети переменного тока. По этим показателям осциллографы Tektronix явно превосходят модели других фирм.
Лишь недавно был прекращен выпуск сравнительно дешевых осциллографов с открытой архитектурой DSO 5000B, соответствующих миллионному интервалу затрат [2, 3]. Это приборы со встроенным компьютером Windows-архитектуры с двумя или четырьмя каналами (1 М0м/50 Ом), полосой пропускания 35О, 5ОО или 1ООО МГц, частотой дискретизации до 5 ГГц, скоростью обновления осциллограмм 100 000/с, большим цветным ЖКИ-дисплеем и длиной записи осциллограмм 8 Мбайт (стандарт) и 16 Мбайт (опция). Развертка по вертикали — 1 мВ/дел. — 10 В/дел. Развертка по горизонтали — 200 пс/дел. — 1000 с/дел. Вертикальное разрешение — 8 бит (11 бит).
Погрешность составляет 1,5%. Приборы имеют 14 типов синхронизации, есть фильтры по входам сигналов и синхронизации. В модели этой серии встроен пиковый детектор для импульсов с длительностью от 1 нс и выше. Тестирование логических сигналов не предусмотрено.
В настоящее время на смену этим приборам пришли новейшие осциллографы с открытой архитектурой серий DPO/MSO 5000A [1]. Внешне они похожи на современные массовые приборы серий 2000, 3000 и 4000: в них идентично расположены органы управления и применяется фирменное средство Wave Inspector (двойная поворотная ручка на рис. 1а). Приборы MSO имеют вход для логических сигналов, то есть относятся к осциллографам для смешанных сигналов (аналоговых и логических, или цифровых).
На заднюю панель (рис. 1б) вынесены разъем электропитания и гнезда для подключения к внешнему компьютеру и другим приборам, а также три разъема USB. Один USB-разъем есть на передней панели. Осциллографы Tektronix DPO/MSO 5000 построены на базе мощного встроенного компьютера с 64-разрядной операционной системой Windows 7 с микропроцессором Intel Dual Core с тактовой частотой 2,5 ГГц и па-
компоненты и технологии • № 12 '2013 www.kit-e.ru
Рис. 2. Пример работы с Wave Inspector
мятью 4 Гбайт и выше. Встроенный жесткий диск компьютера имеет большой объем — 160 Гбайт и более, что позволяет разместить на нем множество программных опций и внешних программ (в том числе программ компьютерной математики [3]).
Пример работы с Wave Inspector показан на рис. 2: вверху видна обзорная осциллограмма сигнала, а в средней части экрана — детальная осциллограмма участка сигнала с глюком. Перемещать выбранный участок по обзорной осциллограмме можно с помощью большой поворотной ручки, а менять размеры участка, выделенного белыми квадратными скобками (при малых размерах выделения — линиями), — малой поворотной ручкой. Перемещение можно осуществлять вручную или автоматически с остановкой по заданному условию. Это резко облегчает анализ длинных осциллограмм, содержащих порой миллионы отсчетов.
Помимо Wave Inspector, в приборах DPO/MSO 5000 используется и другое достижение фирмы — цифровой люминофор, имитирующий возможности аналогового послесвечения в цвете и расширяющий возможности приборов. Это средство облегчает поиск аномалий в сигналах и полезно при оценке нестабильности сигналов во временной и амплитудной областях — джиттера. Оно часто применяется совместно с построением гистограмм джиттера (рис. 3). Внизу на этом рисунке показана таблица параметров автоматических измерений (их у прибора больше полусотни,
Рис. 3. Гистограмма и осциллограмма перепада с использованием Digital Phosphor (осциллограф Tektronix серии DPO5000)
плюс редактор математических выражений для построения расчетных осциллограмм).
Раньше инженеры и ученые были вынуждены мириться с принципиально разными возможностями аналоговых и цифровых осциллографов. Им приходилось иметь в арсенале своих средств измерений как те, так и другие приборы. Объединение лучших черт цифровой и аналоговой осциллографии в одном приборе потребовало создания новой архитектуры осциллографов. Компания Tektronix успешно реализовала технологию Insta Vu, которая увеличивает скорость вывода сигнала на дисплей до сотен тысяч осциллограмм в секунду. Эта технология и получила название Digital Phosphor Oscilloscopes (DPO) — осциллографы с цифровым люминофором. Применения аналоговых узлов она не требует.
DPO предлагает все традиционные преимущества цифрового осциллографа — от памяти до изощренной синхронизации, а также дает расширенные средства отображения сигнала дисплеем с градацией по яркости в режиме реального времени (цифровая эмуляция химического процесса свечения ЭЛТ). Таким образом, обеспечивается трехмерная информация о сигнале: его амплитуда, время и интенсивность (распределение амплитуды во времени).
Для этого в DPO сигнал сначала оцифровывается, как в типовом цифровом осциллографе, затем данные преобразуются и размещаются в трехмерной базе данных, структура которой соответствует экранному растру. Оттуда информация периодически отсылается в систему дисплея, которая обслуживается собственным процессором. Следует отметить, что системный процессор DPO не загружен задачами управления дисплеем. Он используется для автоматического измерения и анализа — это отличительная черта DPO.
Сердце DPO — процессор представления сигнала. Этот процессор (1,3 млн КМОП-транзисторов) преобразует оцифрованный сигнал в дисплейный кадр в виде растровой структуры. Эти кадры накапливаются в динамической трехмерной базе массивов данных. Каждому элементу массива соответствует пиксель на дисплее. При этом в массиве создается карта интенсивности сигнала: если сигнал проходит многократно через одну точку, то факт многократного прохождения отражается на карте. Результатом всех преобразований является след сигнала, яркость которого изменяется пропорционально интенсивности появления сигнала в каждой точке — по типу «градации серого», как это происходит на ЭЛТ аналогового осциллографа.
Технология DPO позволяет записывать более 200 000 дисплейных кадров в секунду, что в 1000 раз быстрее, чем у типового цифрового осциллографа 2000 года. Пересылка кадра из «цифрового люминофора» на дисплей происходит 30 раз в секунду. При этом процесс работы АЦП не прерывается, в результате чего «образ» реагирует на измене-
ние сигнала в реальном времени, а избыток данных точно отображает мельчайшие изменения сигнала.
Поскольку DPO хранит информацию о форме сигнала в динамической трехмерной базе данных, то из нее легко можно получить различную статистику об этом сигнале. Построение гистограмм по данным статистики является встроенной функцией осциллографа (рис. 3). Гистограммы могут быть построены как для реального, так и для запомненного изображения экрана во внутренней памяти сигнала. Для расчета гистограмм используется количественная информация относительного распределения сигнала, которая также хранится в динамической трехмерной базе DPO.
Приборы снабжаются множеством опций и аксессуаров, которые продаются отдельно и повышают, с одной стороны, функциональные возможности приборов, а с другой — суммарную стоимость приобретения. Есть опции тестирования и анализа различных шин, джит-тера, источников электропитания и т. д., а также пробники — пассивные и активные, дифференциальные, токовые и т. д. Программные опции обновляют интерфейс прибора.
На рис. 4 показана работа с программной опцией анализа джиттера. Опция позволяет выводить спектры, гистограммы, «глаз-ковые» диаграммы и другие средства, давно известные пользователям систем компьютерной математики.
Рис. 4. Экран осциллографа DPO/MSO 5000 при работе с программной опцией анализа джиттера
Недавно разработчики Tektronix создали уникальный и пока единственный в мире многодоменный осциллограф закрытой архитектуры [5] со встроенным анализатором спектра радиочастот (от 5О кГц до 3 или 6 ГГц) — MDO 4ООО (рис. 5). Прибор завоевал в 2О11 и 2О12 годах более десятка престижных международных наград.
По просьбе сотрудников российского отделения Tektronix автор провел независимое исследование этого прибора, подробно отраженное в серии статей [6] и показавшее его обширные возможности — особенно при одновременном исследовании устройств и систем, работающих во временной, частотной и логической областях их функционирования. Это позволяет отказаться от под-
Рис. 5. Осциллограф со встроенным анализатором
спектра радиочастот Tektronix MDO 4000
робного описания этого прибора в данной статье и ограничиться демонстрацией его экрана с выводом обзорной и детальной осциллограммы, гистограммы, спектрограммы (новая возможность), спектра сигнала и элементов интерфейса (рис. 6).
Основные параметры осциллографов MDO 4000 приведены в таблице 1. Отметим, что модель 1-ГГц осциллографа с 3-ГГц анализатором спектра немного превышает ценовой диапазон в 1 млн руб., даже если пользователь приобретает прибор без дополнительных опций и аксессуаров. Такова, увы, плата за уникальность прибора. Если уложиться в миллион рублей принципиально важно, придется ограничиться приобретением 500-МГц осциллографа. Стоимость более широкополосных моделей осциллографов Tektronix, впрочем, как и широкополосных моделей других фирм, достигает заоблачных высот — порою выше $100 000.
Цифровые осциллографы Agiient Technologies
Компания Agilent Technologies (www. agilent.com) — еще один крупный игрок на рынке высококачественных осциллографов. Она имеет самые высокие темпы развития осциллографов и владеет новейшей технологией производства современных цифровых приборов различного назначения. Фирма разрабатывает и выпускает ряд серий осциллографов — от «бюджетных» с частотой исследуемых сигналов в десятки МГц до уникальных стробоскопов с частотой сигналов до десятков ГГц [7].
Серия Agiient 54600 — это цифровые запоминающие осциллографы с цветными дисплеями и диапазоном верхних частот от 50 до 500 МГц. Приборы способны выводить до 100 000 кривых в секунду при 256 уровнях интенсивности. Число каналов — два или четыре, но у некоторых приборов может быть расширено до 16 каналов. Частота стробирования — от 0,2 до 2 Гвыб./c. Стоимость приборов — от $2800 до $11 000.
Серия Agilent 54800 — компьютеризованные осциллографы. Это сразу видно по наличию дисковода для записи осциллограмм
Рис. 7. Внешний вид цифровых осциллографов Agilent серии 9000
и изображений экрана, а также мыши для управления осциллографом. Наличие встроенного компьютера резко повышает возможности цифровой обработки сигналов.
Новая серия Agilent 6000 — это осциллографы с диапазоном верхних частот от 0,3 до 1 ГГц. Частота выборок у этих приборов (от 2 до 4 Гвыб./c) сравнительно невелика, емкость памяти — 1 Мбайт, с расширением опционально до 2 или 8 Мбайт. Это также скромные показатели, но и цена приборов не превышает $6000. Если читатель готов заплатить до миллиона рублей, то его, безусловно, заинтересует серия высококлассных осциллографов с открытой архитектурой Infitiim 9000 (рис. 7).
Экран осциллографа Agilent Infitiim 9000 при просмотре смешанных сигналов показан на рис. 8. Возможности приборов расширяются, как и в моделях других фирм, с помощью опций. Об основных параметрах приборов можно судить по данным таблицы 1. Но осциллограф имеет скромный встроенный компьютер на процессоре Intel Celeron 1,733 ГГц с 32-разрядной операционной системой Windows SP.
Если можно ограничиться полосой частот до 500 МГц, то стоит обратить внимание
на новейшие осциллографы Agilent Infinii-Vision 4000 X с большим экраном (30,7 см по диагонали) и современным внешним видом. Осциллографы имеют пять встроенных устройств: логический анализатор, анализатор протоколов последовательных шин, встроенный двухканальный генератор сигналов произвольной формы, 3-разрядный вольтметр и 5-разрядный частотомер. Приборы имеют высокую скорость обновления осциллограмм в 1 млн/с. Большое число опций и аксессуаров расширяет возможности этих приборов.
Рис. 8. Экран осциллографа Agilent 9000
Осциллограф Agilent InfiniiVision 4000 X удостоен в 2012 году трех международных наград.
Цифровые осциллографы LeOroy
Компания LeCroy (www.lecroyscope.ru)
зарекомендовала себя как самый серьезный конкурент Tektronix и Agilent Technologies. Продажа приборов этой фирмы организована компанией «Прист» и другими российскими дистрибьюторами.
LeCroy достигла успеха не только за счет доступа к сверхскоростной элементной базе, но и благодаря большому опыту разработки осциллографов на базе стандартной открытой платформы персональных компьютеров, с новейшими микропроцессорами корпорации Intel. Уже давно основой вычислительной мощи осциллографов LeCroy была системная плата от ПК с микропроцессором Pentium 4 с тактовой частотой 2,6 ГГц. Никогда еще цифровые осциллографы не имели такой мощной и сравнительно дешевой вычислительной и графической основы. Новые осциллографы имеют встроенный компьютер на двухъядерном процессоре Intel Core 2 Duo c частотой до 3,2 ГГц и ОЗУ 4 Гбайт.
Такой подход не только упрощает построение цифровой части осциллографов, но и позволяет использовать мощный встроенный видеоадаптер системной платы и обычный ЖКИ-дисплей. Большой сенсорный цветной дисплей (31 см по диагонали) позволяет отображать очень четкие и хорошо различимые осциллограммы. Разумеется, высокие характеристики осциллографов получены и благодаря тщательной отработке осцилло-графических блоков. Небольшая толщина осциллографа (всего 15-16 см) и вертикальная ориентация корпуса обеспечивают малое место, нужное для установки осциллографа на рабочем столе инженера или ученого.
В осциллографах компании LeCroy для обработки входного сигнала применена новая технология X-Stream, позволяющая в десятки и сотни раз быстрее обрабатывать входной сигнал, чем у аналогичных моделей конкурентов. C помощью технологии X-Stream можно решить эту техническую проблему увеличения скорости обновления и захвата осциллограмм и их математической обработки.
Технология X-Stream основана на том, что входной сигнал поступает на SiGe АЦП на основе гетеропереходов, дающих высокое быстродействие интегральных транзисторов, и оцифровывается в реальном времени со скоростью до 10 Гвыб./c. После чего сигнал разбивается на пакеты и хранится в быстрой КМОП-памяти (DRAM) тракта оцифровки. По двум высокоскоростным каналам сигнал из памяти передается в центральный процессор. Тот, в свою очередь, производит необходимую математическую обработку сигнала и вывод его на ЖК-дисплей.
Таблица 2. Сравнение современных моделей осциллографов LeCroy WaveRunner
Характеристики LeCroy WaveRunner 6 Zi LeCroy WaveRunner HRO 6Zi LeCroy WaveRunner Xi-A
Полоса пропускания 400 МГц - 4 ГГц 400 МГц, 600 МГц 400 МГц - 2 ГГц
Частота дискретизации, Гвыб./с 20 (4 канала) 40 (2 канала) 2 (4 канала) 5 (4 канала) 10 (2 канала)
Максимальный объем памяти на канал, Мбайт До 64 До 256 До 12,5
Процессор Intel Core 2 Duo 1
Частота работы процессора, ГГц 3,2 2,16
Объем ОЗУ, Гбайт 4 (DDR II) 1 (DDR II)
Интерфейс передачи осциллограмм PCIEx4 PCI
Операционная система 64-битная 32-битная
Диапазон вертикального смещения ±10 В; 20 мВ/дел. - 1 В/дел. ±10 В; 100 мВ/дел. - 1 В/дел.
Программно-аппаратная реализация собственных уникальных технологий позволила LeCroy обеспечить непревзойденную скорость преобразования входного сигнала, выведения и продвижения цифрового потока данных X-Stream после работы АЦП, а также синхронную и взаимоувязанную работу памяти DRAM и центрального процессора (фактически ПЭВМ) посредством использования шины PCI и 1-Гбит Ethernet. Технология X-Stream дает возможность эффективно применять программные средства, написанные при помощи таких средств, как MATLAB, Mathcad, Excel или Visual Basic. В новых осциллографах используется улучшенное, новое поколение — X-Stream II.
Осциллографы LeCroy WaveRunner (табл. 2) иногда рекламируются как универсальные приборы для ежедневной работы. Но они предназначены, прежде всего, для серьезных научных исследований и разработок в лабораторных условиях.
Особо следует отметить модель осциллографа LeCroy WaveRunner 6100 Zi (рис. 9). Пожалуй, это наиболее распространенная модель 1-ГГц осциллографа этой группы. Для увеличения конкурентоспособности была введена акция по снижению стоимости этой модели с 839 до 610 тыс. руб., что сделало ее самой дешевой из рассматриваемых осциллографов. Однако нельзя не отметить, что сам осциллограф поставляется без дорогого активного пробника логических сигналов, приобретение которого обойдется в дополнительные 156 тыс. руб. за пробник с 16 логи-
ческими сигналами (опция MS250) и 261 тыс. руб. за пробник с 32 логическими сигналами (опция MS500). И это не считая затрат на приобретение других опций осциллографа, без которых реализация многих возможностей приборов этой серии ограничена.
Осциллографы этой серии имеют оригинальную конструкцию с изменяемой ориентацией дисплея. На рис. 10а показан вид экрана при горизонтальной ориентации дисплея. При этом удобно наблюдать длинные диаграммы и осциллограммы.
Простым нажатием кнопки и движением ладони горизонтальная ориентация дисплея может быть заменена на вертикальную (рис. 10б).
|1|м||-|||||1гн||-|гм11пм:|¡р■ |j¡пгигйи ммппммшгшгншмшзшшмкшш'
IH ИЯм ■ ■ V i
b*,îHrUSlÔMr,,lii*ir,itil1 и " ■!jaoi"n ' i i . -а Т"
Рис. 10. Вид экрана: а) при горизонтальной ориентации дисплея; б) при вертикальной ориентации дисплея
Это позволяет наблюдать большее число диаграмм и осциллограмм, например аналоговые осциллограммы вместе с 16 или 32 логическими диаграммами (правда, для этого нужен дорогой пробник логических сигналов).
Осциллограф WaveRunner 6000 сохраняет многие миллионы событий, которые могут быть занесены во флэш-память (в том числе внешнюю) для последующего просмотра в любое удобное время. Можно воспроизводить историю сигнала, искать и просматривать сигнал от развертки к развертке и останавливать осциллограмму сигнала в интересующем пользователя месте.
Возможности подобных приборов во многом определяются не только совершенством их аппаратных решений, но и программными средствами (табл. 3). Ориентация новых WaveRunner 6000 Zi на массовую 64-разрядную операционную систему Windows 7 способствует разработке пакетов программ для осциллографов этой серии. Например, расширенный пакет индивидуального анализа XDEV позволяет использовать системы компьютерной математики MATLAB и Mathcad. Есть пакеты для анализа цифровых фильтров, источников электропитания, джиттера, последовательных шин и др. Разумеется, их нужно приобретать отдельно,
Таблица 3. Основные виды работы осциллографов WaveRunner6000Zi
Анализ LeCroy WaveRunner HRO 6Zi
Спектр Да
Экраны отображения 16
Допусковый контроль Std
Мощность Да
Анализ последних данных SDA II
Анализ джиттера JitKit
Режим предыстории Стандартно
Синхронизация по измерениям Стандартно
Все виды измерения Без ограничений
WaveScan Стандартно
Настройка интерфейса Совместимость с XDEV
Захват редких аномалий Triggerscan
Скорость обработки Лучшая при обработке процессов из глубокой памяти
и стоят они недешево (например, цена опции XDEV — около 150 тыс. руб.).
Качество и четкость отображения осциллограмм слабых сигналов зависят от уровня шумов осциллографа и его разрядности. На рис. 11 показано отношение сигнал/шум для осциллографов различного типа и разных фирм с разрешающей способностью 8 бит. Ее можно увеличить с помощью режима усреднения осциллограмм (что снижает скорость вывода). Появились также новейшие осциллографы этой серии с повышенной до 12 бит разрешающей способностью. Однако нужно учитывать неизбежное при этом сужение полосы частот до менее 1 ГГц.
Высокая равномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) осциллографов серии WaveRunner 6000 Zi при отсутствии коррекции позволяет наблюдать четкие осциллограммы быстрых перепадов (рис. 12) и импульсов с предельно малой (для заданной полосы частот) длительностью фронтов. Это способствует получению правдивой формы сложных сигналов. Для осциллографов этой серии предлагаются и специальные опции коррекции АЧХ соединительных кабелей.
Рис. 12. Сравнительные осциллограммы быстрого перепада
Пользователи могут также изучить сигнал с помощью БПФ, что обеспечивает спектральный анализ до уровня не более половины частоты дискретизации. Поставляемая программная опция WR6ZI-SPECTRUM (стоимостью около 100 тыс. руб.) позволяет реализовать спектральный анализ так, как это делается в стандартных анализаторах спектра. При этом задаются средняя частота спектра, полоса частот спектрального анали-
Рис. 13. Экран при использовании опции анализатора спектра
-Я
-М
-HJ -— I I I 11II-— — I I 11II
й Ч К*
чук чяга ьшыит lepiKHL H, мИ'да-
Рис. 11. Отношение сигнал/шум при различной чувствительности по вертикали
Таблица 4. Типы анализируемых шин
Интерфейсы Декодирование Синхронизация ProtoBUS ProtoSinc QualiPHY
I2C + + +
Общего SPI + + +
назначения I2S + + +
UART, RS-232 + + +
CAN + + +
Автомобильные LIN + + +
FlexRay + + +
Военные/ ARINC 429 + +
авиационные MIL-STD-1533 + + +
Мобильные DigRF v4 + +
MIPI-D-PHY + +
8b/10b + +
Fibre Chanel + +
Системы вычисления/ передачи/ SATA (1,5 m 3,5 rent/c) + + + +
SAS (1,5 m 3,5 r6MT/c) + +
PCIe(Gen 1) + + + +
хранения данных USB 2.0 + + + +
LPDDR2 +
DDR2 +
Ethernet +
за и разрешение по частоте. Осциллограммы имеют близкий к идеальному вид с автоматическим анализом пиков и их частоты (рис. 13).
Анализ джиттера и временных параметров сигналов позволяет измерять период, длительность и другие параметры. Результаты могут быть представлены в виде статистики, гистограмм или временных графиков. Широко представлены опции анализа и тестирования шин (табл. 4). Всего поставляется около 2О опций расширения возможностей осциллографов WR6000Zi.
В программном обеспечении этих цифровых осциллографов появилась новая функция — LabNotebook, позволяющая создавать, корректировать и отправлять отчеты на основе полученных осциллограмм прямо из ПО осциллографа. Ранее для этого нужно было использовать три различных ПО на основе ОС Windows. Мощная система синхронизации позволяет исследовать различные импульсные и телевизионные сигналы и сложные последовательности из них, выделять их особенности и по ним запускать развертку.
Приборы обеспечивают различные виды математической обработки сигналов, курсорные измерения, включение в работу новых функций и методов анализа, работу совместно с языком программирования Visual Basic, электронными таблицами Excel и системами компьютерной математики MATLAB, Mathcad и др. Они позволяют встраивать их в процесс обработки сигнала осциллографом (опция WR6ZI-XDEV стоимостью 149 тыс. руб.).
Дистанционное управление осциллографами может быть настроено пользователем. Используя стандартный язык команд компании LeCroy или LabView, осциллографы можно соединять с любым программным обеспечением. Команды Active-X Microsoft также можно использовать для интеграции в большинство программ на основе Windows. Дистанционное управление можно осуществлять через стандартную сеть 10/100Base-T или дополнительный интерфейс КМОП.
Таким образом, вместе с примененными опциями осциллографы WaveRunner 6ООО Zi представляют собой мощную и многофункциональную систему анализа сигналов и тестирования различных компонентов и узлов радиоэлектронной аппаратуры. Иногда приборы серии 6ООО рекламируют как приборы для повседневной работы. Последнее явно ошибочно. Потребляемая от сети мощность у этих приборов достигает 6ОО Вт и самая большая среди осциллографов данной группы. Она, к примеру, превышает мощность, потребляемую осциллографами схожего класса Tektronix, более чем вдвое. Это означает, что нужно будет применять более мощные вентиляторы для охлаждения. Необходимо также большое свободное пространство сзади и по бокам осциллографа, что увеличивает занимаемое им место
на рабочем столе. К сожалению, в описании (Datasheet) приборов последнее явно не оговорено.
В конечном итоге все это на 10 °C снижает максимальную рабочую температуру приборов, которая лежит в диапазоне от +5 до +40 °C. Учитывая растущую стоимость электрической энергии, найдется не так уж много пользователей, готовых разместить на своем рабочем столе 600-Вт осциллограф, пусть и с очень большими возможностями. Кстати, для повседневного применения они явно избыточны и дороги, с учетом высокой стоимости опций прибора.
Осциллографы фирмы LeCroy с высоким разрешением
Большинство обычных цифровых осциллографов имеют разрядность 8 бит, то есть число уровней квантования сигнала равно 256 (28). При этом ступеньки осциллограмм видны на глаз. Серия осциллографов высокого разрешения HR06000 имеет исходную разрядность 12 бит, то есть у них число ступенек квантования равно 4096 (212), и сами ступеньки имеют в 16 раз меньшую амплитуду. Но приборы отличаются более узкими полосами частот — 400 и 600 МГц. В остальном они подобны моделям серии WR6000Zi.
Новейшие серии осциллографов с высоким разрешением HD04000 и HD06000 (High Definition Oscilloscope) во многом лишены недостатков предшествующих моделей серии WR6000Zi. Приборы HDO6000 имеют полосу частот 350, 500 и 1000 МГц и 56 автоматических измерений [8].
Старшая модель HD06104 (рис. 14) имеет полосу частот в 1 ГГц и при огромной памяти в 50 Мбайт укладывается в ценовой диапазон до 1 млн руб. Потребляемая мощность уменьшена в 2-3 раза и составляет от 200 до 350 Вт (большие значения при питании всех периферийных устройств, включая пробники, что редко встречается на практике). Для расширения возможностей приборов поставляется свыше 30 опций и свыше 20 пробников и усилителей.
Выпускается и более дешевая серия 2-и 4-канальных осциллографов с 12-битным
разрешением — HDO4000 с полосой частот от 200 до 1000 МГц и более простым встроенным компьютером. Внешне такой прибор подобен моделям серии HDO6000. Старшая 1-ГГц модель HDO4104 с памятью осциллограмм 25 Мбайт/кан. (50 Мбайт при объединении каналов) и частотой дискретизации 2,5 Гвыб./с (5 Гвыб./с при объединении каналов) обойдется пользователю в 744 тыс. руб.
У осциллографов с высоким 12-битным разрешением шаг дискретизации (квантования) по вертикали оказывается в 16 раз меньше, чем у обычных осциллографов с 8-битным. Это существенно повышает достоверность отображения слабых сигналов, что и представлено на рис. 15, где сетка показывает шаг дискретизации сигнала. В приборах используется обновленная технология Х^геат II, что позволило сохранить высокую скорость обновления осциллограмм, несмотря на резкое повышение числа отсчетов и снижение частоты дискретизации.
Все описанные здесь осциллографы оснащены сенсорным дисплеем, поэтому ими можно управлять, прикасаясь к экрану палочкой-стило или даже пальцем (рис. 16). Например, можно, выделив прямоугольником фрагмент осциллограммы, тут же, указав на него пальцем, получить детальную осциллограмму нужного фрагмента.
Рис. 15. Отображение слабого сигнала осциллографом: а) с 8-битным разрешением; б) с 12-битным разрешением
Рис. 16. Работа с сенсорным экраном
Высокое разрешение позволяет наблюдать четкие обычные осциллограммы без заметных следов дискретизации и ее шума (рис. 17). Другими словами, можно наблюдать истинное изображение и детально анализировать осциллограммы с выделением и просмотром отдельных их участков системой WaveScan. Программное увеличение разрешения ERes увеличивает разрядность квантования до 15 бит.
Высокое разрешение полезно и при использовании различных программных опций, например тестирования шин или ана-
лиза джиттера. На рис. 18 приведен пример применения опции анализа последовательных шин с выделением сигнала данных.
Осциллографы с высоким разрешением открывают новые возможности в проведении спектрального анализа методом быстрого преобразования Фурье. Например, наряду с наблюдением обычного спектра с высоким разрешением они позволяют наблюдать спектрограммы сигналов, даже трехмерные (рис. 19). Спектральный анализ в модели HDO6000 встроенный, в младшей модели HDO4000 он реализован опционально.
У новых осциллографов также есть настройка спектрального анализа, подобная настройке обычного анализатора спектра (рис. 20). Малый уровень шумов и большое число отсчетов анализируемых осциллограмм существенно увеличивают динамический диапазон, разрешение и чувствительность программного анализатора спектра. Это позволяет использовать его для поиска слабых сигналов и помех.
Еще одна новая серия приборов — WavePro 700 ZiA (рис. 21) — имеет более «солидные» размеры (355x467x289 мм) и существенно больший вес (до 18,4 кг). Потребляемую мощность удалось сохранить на уровне 600 Вт. Правда, полоса частот у новых приборов значительно возросла и со-
ставляет от 1,5 до 6 ГГц, так что эти приборы перекочевали в более высокую категорию лабораторных высококачественных осциллографов.
Цифровые осциллографы Rohde&Schwarz
Сенсацию на рынке приборов со стоимостью порядка миллиона рублей произвели осциллографы с закрытой архитектурой RTO европейской фирмы Rohde&Schwarz
Рис. 19. Просмотр трехмерной спектрограммы и обычного спектра Рис. 20. Просмотр спектра как в обычном анализаторе спектра
Рис. 22. Внешний вид 1-ГГц осциллографа R&S RTO 1014
(www.rohde-schwarz.ru) (рис. 22) [9, 10].
Благодаря применению быстрых аппаратных средств для реализации основных функций и усовершенствованной архитектуры удалось получить скорость обновления осциллограмм до 1 млн/с и существенно уменьшить время «простоя» и время управления осциллографом. Приборы имеют хотя и не рекордный, но малый уровень собствен-
ных шумов и повышенную (особенно при объединении каналов) частоту дискретизации (до 80 Гвыб./с), а также большую память осциллограмм (до 80 Мбайт при объединении каналов). В них использован сверхбыстрый одноядерный АЦП с частотой квантования 10 ГГц. Старшие модели осциллографов имеют полосу частот до 4 ГГц.
На рис. 23 показан экран осциллографа с демонстрацией «цифрового люминофора», гистограммы и меню различных операций. Прибор позволяет строить как обычные осциллограммы и спектры, так и цветные спектрограммы, имеет в режиме спектрального
анализа высокое разрешение и высокую чувствительность. Реализована синхронизация в реальном масштабе времени [10].
Реализация быстрого преобразования Фурье в части требующих высокой скорости операций также реализована на аппаратном уровне, что позволило получить поистине быстрое преобразование без кавычек и использовать при этом технологию «цифрового люминофора» при проведении спектрального анализа и построении спектрограмм. Высокая частота дискретизации и большой объем памяти осциллограмм повышают эффективность быстрого преобразования Фурье. Комплексное БПФ в осциллографах осуществляется в диапазоне частот от -/¿/2 до +_^/2. В этой полосе и сосредоточены шумы БПФ. Ограничение полосы верхних частот осциллографа до значений ^ < _^/2 уменьшает полосу частот спектрального анализа, снижает шумы и повышает чувствительность при спектральном анализе (рис. 24).
При подключении пробника логических сигналов осциллографы RTO позволяют воспроизводить высококачественные осциллограммы одновременно аналоговых и логических сигналов (рис. 25).
Осциллографы RTO имеют обширные возможности в анализе и тестировании последовательных шин. Окно с примером такого тестирования показано на рис. 26.
В последние годы происходит взрывное увеличение числа СВЧ радиокоммуникаци-
Рис. 23. Экран осциллографа R&S RTO 1014 с демонстрацией «цифрового люминофора», гистограммы и меню различных операций
гъгучттч"!эгж гжхкпгкжга пчтт»:■:> <•' :■:«гпг л^тгчтт
)Н 1И11И I ¡ М I !П1Г.-1 I ИИ IIУ ,-Ц|1 1Ш1114 Ы11 ЯЛ 91)
1!Н)1Н1 и III НИ НМЛ
1нис гаи лнт 11 L3.il пч|
::: :■: ГТТТ!ПГ ПТГ
ш:.1ИУи И ШШШ
II III МММ I НИМ 11111 I ■■ ■
сч .1 : г(1
г^ ЕН|Нл-л<1 -Чг?- .ГГ-11 ..... Г1Ш 1<РП Ччч ■чтч п.ь. .....
Рис. 25. Совместное наблюдение аналоговых и логических (цифровых) сигналов
Рис. 26. Окно с примером тестирования последовательных шин
нием системы компьютерной математики МА^АВ [12]. Настройка интерфейса проста и наглядна (рис. 28).
Пример работы с опцией RTO-R11 показан на рис. 29. На осциллограф был подан сигнал от генератора R&S SMBV100A. Детали настройки осциллографа и генератора, а также МА^АВ-фрагменты программ для обеспечения компьютерного анализа осциллограмм описаны в [11].
Осциллограф RTO позволяет строить так называемые расцвеченные звездные диаграммы, отражающие положение фазовых состояний на плоскости с учетом нестабильности (джиттера) точек фазовых состояний. Такая диаграмма показана на рис. 30. Ее использование значительно облегчает тестирование и анализ сигналов и применяющих их устройств.
■■ L1 & , <L:>,
А Л^г/ L
МьШш
Рис. 30. Расцвеченная звездная диаграмма
онных устройств — сотовых, мобильных и спутниковых телефонов и систем связи, коммуникаторов, планшетных и карманных компьютеров с беспроводными средствами связи и т. д. Здесь счет идет на сотни миллионов изделий, находящихся в использовании.
В них широко применяется комплексная высокоскоростная фазовая манипуляция, модуляция и демодуляция (рис. 27).
Осциллографы R&S RTO позволяют захватывать сигналы и имеют опцию RTO-R11 тестирования сигналов [11] с примене-
Если бюджет пользователя явно меньше миллиона рублей, то ему предоставляется возможность приобретения младшей модели осциллографов фирмы Rohde&Schwarz.
Заключение
Опытный пользователь не должен доверять односторонним оценкам осциллографов отдельных фирм — даже хорошо известных и надежных. Только сравнение различных моделей определенной категории (например, частотной или ценовой) позволяет выбрать наиболее подходящий прибор. Порою такое сравнение открывает пользователю неизвестные ему возможности приборов и их серьезные недостатки, например повышенную мощность электропитания или неприемлемо большой вес приборов. Однозначного решения о приобретении того или иного прибора нет.
Самыми легкими и малогабаритными осциллографами среднего класса являются Tektronix DPO/MSO 5000. Встроенный анализатор спектра радиочастот есть пока только в осциллографе Tektronix MDO 4000. Высокое разрешение и обширный набор функций имеют приборы LeCroy серий HDO 4000 и 6000. Из приборов фирмы Agilent нель-
зя не отметить осциллографы InfiniiVision 4000 X, содержащие пять приборов в одном элегантном корпусе. Наконец, высочайшую скорость обновления осциллограмм и обширные возможности в проведении спектрального анализа и наблюдения сигналов имеют осциллографы фирмы RoMe&Schwarz класса RTO с закрытой архитектурой.
Ни один из приборов не сочетает все эти качества, поэтому сделать вывод о том, на ка-
кую модель осциллографа потратить миллион рублей, пользователь должен сам. ■
Литература
1. Дьяконов В. П. Сверхскоростная твердотельная электроника. М.: ДМК-Пресс, 2013.
2. Афонский А. А., Дьяконов В. П. Электронные измерения в нанотехнологиях и микроэлектронике. М.: ДМК-Пресс, 2011.
3. Дьяконов В. П. Осциллографы фирмы Tektronix открытой архитектуры // Компоненты и технологии. 2010. № 2-3.
4. Дьяконов В. П. Компьютерная математика. Теория и практика. М.: Нолидж, 2001.
5. Дьяконов В. П. Осциллографы фирмы Tektronix закрытой архитектуры // Компоненты и технологии. 2009. № 12. 2010. № 1.
6. Дьяконов В. П. Многодоменные осциллографы Tektronix MD04000 // Компоненты и технологии. 2013. № 2. 2013. № 3-5.
7. Дьяконов В. П. Новейшая серия X осциллографов Agilent: нырок «вниз» // Компоненты и технологии. 2012. № 2.
8. Корнеев С. А. Осциллографы высокого разрешения LeCroy HD04000 и HD06000. ОАО «Прист», 2011.
9. Дьяконов В. П. Новые осциллографы европейских компаний // Компоненты и технологии. 2011. № 11.
10. Цифровые запоминающие осциллографы R&S RTO. Rohde&Schwarz, 2012.
11. Об использовании программного I/Q интерфейса осциллографа R&S RTO в пакете MATLAB. Указания по применению. Rohde&Schwarz, 2013.
12. Дьяконов В. П. MATLAB и Simulink для радиоинженеров. М.: ДМК-Пресс, 2011.
новости рынок
«ПРОСОФТ» — дистрибьютор компании Visiosens
Компания «ПРОСОФТ» получила статус официального дистрибьютора компании Visiosens (Германия).
Visiosens производит модульные промышленные USB-камеры с возможностью конфигурирования, позволяющие создавать индивидуальные решения для высокотехнологичных секторов промышленности.
Серия камер от Visiosens — это не традиционный набор готовых устройств, а весьма гибкая и настраиваемая платформа с более чем 140 возможными комбинациями построения камер. Такая концепция поддерживает единый современный программный интерфейс для всех своих камер, в том числе и для специальных заказных устройств. Платформа состоит из большого числа датчиков изображения, креплений, фильтров, включает опциональную светодиодную подсветку, имеет различные выходные интерфейсы и несколько вариантов сборки. Пользовательский и системный интерфейс для всех вариантов камер построен на базе единого перспективного кросс-платформенного комплекта средств разработки на базе последних NET-технологий.
Камеры Visiosens имеют высокопрочные корпуса, разработанные специально для применения в промышленности. Конструкция корпуса позво-
ляет применять несколько вариантов установки. На каждой стороне и передней поверхности есть множество крепежных отверстий, расположенных симметрично оптической оси датчика. Заказчик может выбрать один из следующих типов крепления: C, CS или M12. Опциональное светодиодное кольцо, с возможностью интеграции в корпус и подключаемое через 8-контактный порт ввода/вывода, способствует экономии пространства и снижению финансовых затрат на систему в целом. Конструкция системы и процесс сборки оптимизированы для различных вариантов применения и обеспечивают особенно короткие сроки поставки при выгодном соотношении цена/качество. Основные преимущества и особенности:
• Возможность установки широкого набора КМОП и ПЗС сенсоров.
• Разрешение: от 0,4 до 10 Мп.
• Поддержка интерфейсов USB 2.0 и USB 3.0.
• Промышленный корпус с различными вариантами монтажа.
• Разъемы Mini-B USB или Micro USB 3.0 с винтовым фиксатором.
• 8-контактный порт ввода/вывода (три порта ввода, три порта вывода).
• Несколько вариантов крепления: C, CS или M12.
• Опциональное светодиодное кольцо с возмож-
ностью выбора типа светодиода.
• Комплект средств разработки на базе современных NET-технологий.
• Кросс-платформенная совместимость с ОС Windows и Linux.
• Полный комплект документации на аппаратное и программное обеспечение.
• OEM-камеры, BOARD-камеры. Официальный статус дистрибьютора Visiosens
на территории России и стран СНГ позволит компании «ПРОСОФТ» предлагать заказчикам высоконадежные промышленные камеры для ответственных применений.
www.prosoft.ru
