Новые осциллографы компании Tektronix с открытой архитектурой Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Владимир ДьЯКОнОВ, д. т. н., профессор

vpdyak@yandex.ru

Новые осциллографы компании Tektronix

с открытой архитектурой

С момента публикации статьи [1] по осциллографам компании Tektronix с открытой архитектурой компания существенно обновила парк этих мощных приборов. напомним, что такие осциллографы имеют встроенный персональный компьютер, полностью открытый для внешних устройств и программ, с которыми работает пользователь. Программы, например системы компьютерной математики MATLAB и др., можно устанавливать на жесткий диск компьютера осциллографа, так же как и специализированные программы для анализа джиттера, различных интерфейсов и шин, источников электропитания и т. д. Это обеспечивает прекрасные возможности для расширения функций осциллографов.

Введение

Обе новые серии осциллографов — DPO/MSO5000 и DPO/DSA/MSO70000 — имеют много общего: одно руководство пользователя [2], программное обеспечение firmware и принципы работы. Вместо громоздких и тяжелых осциллографов серии TDS5000 [1] появилась серия изящных приборов DPO5000 с открытой архитектурой, использующих технологию цифрового фосфора [3]. Внешне они очень похожи на осциллографы популярной серии DPO/MSO4000, в которых впервые было применено фирменное средство Tektronix — Wave Inspector: в середине верхней и правой части передней панели (рис. 1а) можно видеть специальную двойную поворотную ручку. Wave Inspector облегчает просмотр длинных осциллограмм. Осциллографы имеют яркий цветной XGA-дисплей большого размера (264 мм, или 10,4 дюйма по диагонали) с высоким разрешением в 1024x768 пикселей, формат экрана YT и XY. На передней панели имеется два USB-хоста.

Вид на прибор сзади показан на рис. 1б. Здесь внизу видны отсек с разъемами для подключения к встроенному компьютеру различных периферийных устройств (клавиатуры, мыши, дисплея и т. д.), группа из четырех USB-разъемов, один разъем USB для подключения внешнего ПК, разъемы локальной сети, коаксиальные разъемы внешней синхронизации и выхода синхроимпульсов.

Вид на прибор справа показан на рис. 1в. Здесь стоит отметить отсек для жесткого диска встроенного в осциллограф компьютера, который можно вынимать, например, для его быстрого заполнения программами с помощью внешнего компьютера.

Приборы имеют довольно малые габариты (439x223x206 мм) и вес (6,7 кг; в упаковке — 12,7 кг). Они занимают на рабочем столе немного места, и их легко переносить.

Пока выпускаются четыре модели осциллографа, отличающиеся полосой частот по аналоговым входам (у всех приборов их четыре), скоростью выборки и, естественно, ценой. Данные приборов приведены в таблице 1.

Приборы содержат встроенный ПК на основе двухъядерного микропроцессора Intel Core 2 Duo и операционной системы Windows 7 (64-разрядная версия) с оперативной памятью 4 Гбайт. Осциллографы обеспечивают максимальную скорость захвата 250 000 осциллограмм

Таблица 1. Осциллографы серии DPO5000 фирмы Tektronix с открытой архитектурой

Осциллограф Полоса Скорость выборки, Гвыборок/с Число точек Количество каналов

DPO5034 350 МГц 5 12,5—125М

DPO5054 500 МГц 4

DPO5104 1 ГГц 5-10 12,5-250М

DPO5204 2 ГГц

Рис. 1. Осциллограф DPO5000: а) вид спереди; б) вид сзади; в) вид справа

Рис. 2. Внешний вид осциллографов смешанных сигналов серии MSO5000 Рис. 3. Экран осциллографа DPO5000 с осциллограммами сигнала

в режиме цифрового фосфора и обнаружения глитчей (синяя кривая)

Таблица 2. Осциллографы смешанных сигналов серии MSO5000 фирмы Tektronix

осциллограф Полоса Скорость выборки, Гвыборок/с Число точек количество каналов

MSO5Ü34 350 МГц 5 12,5—125М

MSO5Ü54 500 МГц 4+16

MSO5104 1 ГГц 5-10 12,5-250М

MSO5204 2 ГГц

в секунду, а в режиме FastFrame с использованием сегментированной памяти — даже до 310 000 осциллограмм в секунду. Приборы поставляются с аналоговыми пассивными пробниками TPP0500 и TPP1000 с полосой частот 500 МГц или 1 ГГц и с необычно малой входной емкостью — всего 4 пФ. Это обеспечивает малые искажения даже на высокоомном входе (1 МОм без пробника и 10 МОм с пробником). Есть и 50-омный вход.

Приборы могут осуществлять 53 автоматических измерения и имеют возможность построения спектра сигналов методом быстрого преобразования Фурье (БПФ). Встроенный математический редактор позволяет задавать и редактировать математические выражения и строить по ним расчетные осциллограммы для их сравнения с осциллограммами реальных сигналов. Реализация БПФ обеспечивает построение действительных и комплексных спектров, спектров для магнитуды и фазы гармоник от частоты, восемь типов окон.

Приборы MSO5000 — осциллографы смешанных сигналов [2]. Помимо четырех аналоговых входов они содержат еще 16 входов для цифровых и логических сигналов. Основные параметры этих приборов представлены в таблице 2.

Еще четыре модели — это осциллографы серии MSO5000 смешанных сигналов. Вид на них спереди показан на рис. 2. Главное их отличие от приборов серии DPO5000 — это наличие входа для пробников логических и цифровых сигналов. Разъем для пробника виден под левым нижним углом экрана.

Полоса пропускания в 350 МГц обеспечивает получение времени нарастания при исследовании аналоговых сигналов 0,35/0,35 ГГц = 1 нс, а у приборов с полосой 2 ГГц — даже 0,35/2 ГГц = 0,175 нс. Правда, минимальное время нарастания можно получить при использовании 50-омного входа и при чувствительности по вертикали от 10 мВ/дел. и выше.

Работа с осциллографами серии DPO5000

Осциллографы DPO5000 поддерживают технологию цифрового фосфора DPX. При этом цвет осциллограмм зависит от времени существования того или иного участка осциллограммы (рис. 3). Это облегчает поиск кратковременных и нерегулярно появляющихся

глитчей — артефактов сигналов. На рис. 3 глитч показан как осциллограмма синего цвета.

Приборы обеспечивают запуск по различным критериям. На рис. 4, к примеру, показан запуск по определенному пакету данных. В данном случае исследуется последовательная шина RS-232. Объект поиска показан в панели, расположенной в нижней части экрана. Осциллограф обеспечивает тестирование последовательных шин I2C, SPI, RS-232/422/485/UART и USB.

Рис. 4. Запуск по определенному пакету данных (шина RS-232)

Другой пример — поиск «рантов» — представлен на рис. 5. Обратите внимание на панель автоматических измерений под осциллограммой слева. Большое число автоматических измерений (в данном примере используется два вида измерений из 53) превращает осциллограф в мощный многофункциональный измеритель различных параметров сигналов.

Как уже отмечалось, ноу-хау Tektronix является средство Wave Inspector. Работу с ним поясняет рис. 6. Необходимость в таком средстве связана с возможностью просмотра очень длинных осциллограмм с числом точек во многие миллионы (минимальная память осциллограмм этих приборов — 12,5 млн точек: одна из самых больших для приборов такого класса). Самая распространенная функция Wave Inspector — это «лупа времени»: на длинной осциллограмме (на рис. 6 она дана сверху) имеется область, положение и ширина

Рис. 5. Пример поиска «рантов» Рис. 7. Определение критерия поиска

Рис. 8. Работа с Wave Inspector после задания критерия поиска

Рис. 9. Пример наблюдения джиттера и построения его гистограммы (сверху)

Рис. 6. Пример работы со средством Wave Inspector

которой устанавливаются двойной поворотной ручкой (выноска сверху на рис. 6). Выделенная область длинной осциллограммы отображается в деталях под ней.

От простой «лупы времени» Wave Inspector отличается рядом свойств. Во-первых, процесс перемещения выделенной области по длинной осциллограмме можно осуществлять в ту или иную сторону автоматически с легко изменяемой скоростью. Во-вторых, в длинной осциллограмме можно задавать различные критерии поиска нужных фрагментов (рис. 7, панель внизу). Они помечаются, и в дальнейшем можно переходить от одного фрагмента к другому практически мгновенно (рис. 8).

В осциллографах серии DPO/MSO5000 много внимания уделено исследованию различных нестационарных явлений, например временной нестабильности — джиттера [3]. Наряду с наблюдением самого джиттера с применением технологии цифрового фосфора можно строить гистограммы его распределения, дающие важную количественную информацию (рис. 9). Возможности исследования

джиттера существенно расширяются с помощью специальных программ для его анализа.

Рис. 10. Пробник Р1616 для 16 логических (цифровых) сигналов

Работа MSO5000 со смешанными сигналами

Осциллографы MSO5000 в дополнение к четырем аналоговым входам имеют 16 входов для логических и цифровых сигналов. Для такой работы к этим осциллографам необходимо подключить специальный пробник для логических сигналов (рис. 10). Пробник имеет две группы специальных зажимов, по восемь в каждой группе. Входное сопротивление каждого канала — 100 кОм, емкость — 3 пФ. Это обеспечивает регистрацию перепадов с длительностью менее 1 нс.

Логические сигналы можно наблюдать как отдельно, так и совместно с аналоговыми сигналами. Пример совместного наблюдения сигналов различного типа показан на рис. 11. Осциллограф обеспечивает цветовое кодирование логических сигналов и построение их адресов.

При работе в стандартном режиме регистрации цифровых сигналов осциллограф серии MSO5000 будет запоминать до 40 млн точек со скоростью 500 Мвыборок/с (с разрешением 2 нс). Специальный режим MagniVu записи со сверхвысоким разрешением обеспечивает регистрацию 10 000 точек со скоростью до 16,5 Гвыборок/с (с разрешением 60,6 пс) (на рис. 12 внизу, в красном прямоугольнике). Регистрация

Рис. 12. Пример представления логического сигнала с обычным и высоким (режим МадпМи) разрешением

□

Рис. 11. Пример совместного наблюдения логических (сверху) и аналоговых (снизу) сигналов

как в основном режиме, так и в режиме MagniVu осуществляется при каждом запуске, и в любое время можно переключаться между ними на дисплее. Режим MagniVu обеспечивает значительно более высокое разрешение, чем разрешение в аналогичных по параметрам осциллографах смешанных сигналов других производителей.

Применение специального программного обеспечения

Специальное ПО существенно расширяет и без того весьма обширные возможности осциллографов серии DPO/MSO5000. Нужные программы устанавливаются на жесткий диск встроенного компьютера, что обеспечивает естественную интеграцию установленного ПО с осциллографом. Рассмотрим примеры применения некоторых таких программ [2, 3].

Одной из самых распространенных задач является исследование различных интерфейсов и шин. Наряду с просмотром осциллограмм сигналов шин осциллограф с соответствующим программным обеспечением можно использовать для декодирования протоколов (пример на рис. 13 для шин CAN и LIN).

Пример наблюдения сигналов шины USB 2.0 показан на рис. 14. Возможно комплексное тестирование шины USB 2.0. При выборе

"" " ______

Рис. 13. Временные соотношения и декодировка протоколов CAN и LIN

Рис. 14. Пример наблюдения сигналов последовательной шины USB 2.0

осциллографов для тестирования шин нужно в первую очередь учитывать полосу их пропускания. Некоторые современные высокоскоростные шины не могут полноценно тестироваться осциллографами DPO/MSO5000, поскольку их полоса пропускания может оказаться недостаточно широкой. Для тестирования таких шин лучше подходят широкополосные осциллографы DPO/DSA/MSO70000, описанные далее.

Широко распространенной задачей является исследование и тестирование всевозможных импульсных источников питания. Осциллографы DPO/MSO5000 предназначены для решения этой задачи. Для них поставляется не только соответствующее программное обеспечение, но и набор пробников для наблюдения как импульсов напряжения с большой амплитудой, так и импульсов тока большой амплитуды. В набор входят дифференциальные пробники, облегчающие подключение осциллографа к нужным точкам исследуемого устройства. На рис. 15 показан экран осциллографа при тестировании импульсного источника питания. В данном случае контролируются импульсы напряжения и тока силового ключа.

Как видно на рис. 16, осциллограф при тестировании источников электропитания обеспечивает не только вычисление параметров напряжения и тока, но и вычисление мгновенной мощности и даже построение области безопасной работы ключевого элемента. Полоса частот осциллографов серии DPO/MSO5000 вполне достаточна для

Рис. 16. Пример вывода различных результатов расширенного анализа джиттера:

построение гистограммы, спектра сигнала и глазковой диаграммы

исследования и тестирования любых существующих источников электропитания.

При исследовании широкополосных систем связи используются различные специальные средства для оценки битовых погрешностей, построения гистограмм распределения сигналов, оценки их спектров и построения глазковых диаграмм. Обычно эти средства есть у дорогих осциллографов высшего класса с полосой частот не менее нескольких ГГц. Но у приборов DPO/MSO5000 они тоже присутствуют (рис. 17). Это позволяет проводить расширенное тестирование и исследование многих устройств, используя новейшие методы тестирования.

Наряду с обычными глазковыми диаграммами можно построить и глазковые диаграммы с масками — специальными областями заданной формы. Осциллограф контролирует вход диаграмм в пределы масок и фиксирует такой вход. Обычно маски задают области, в которые не должны попадать глазковые диаграммы, чтобы обеспечить работоспособность тестируемых устройств.

Интерфейс пользователя осциллографов не является жестким, и пользователь может в довольно широких пределах менять его с помощью специального программного средства М^^соре (рис. 18). Он может создавать собственные панели инструментов осциллографа с помощью простого процесса «перетаскивания». Созданные однаж-

Рис. 15. Пример тестирования источника электропитания Рис. 17. Пример построения глазковой диаграммы с маской

Рис. 18. Средства задания интерфейса пользователя

ды настраиваемые окна управления легко открываются через специальное меню вызова на осциллографе. Это оптимальное решение для среды с разделенными ресурсами, где каждый пользователь может иметь свой собственный интерфейс управления, приспособленный под решение конкретных задач.

Осциллографы серии DPO/MSO5000 имеют множество средств, присущих современным системам компьютерной математики: дискретизация и обработка сигналов, проведение быстрого преобразования Фурье и построение спектров сигналов, десятки автоматических измерений, построение глазковых диаграмм и диаграмм битовых ошибок, создание расчетных и опорных осциллограмм, редактирование математических выражений с помощью специального редактора и т. д. Тем не менее современные системы компьютерной математики по обилию математических функций пока заметно превосходят осциллографы. Поэтому важным остается вопрос о взаимодействии средств цифровых осциллографов со средствами систем компьютерной математики.

В приборах DPO/MSO5000 предусмотрены средства для совместной работы с электронными таблицами Microsoft Excel (рис. 19). Гораздо большими возможностями для работы с цифровыми осциллографами обладает матричная система MATLAB [5, 6]. Тут и рас-

шшшшиш

lililí , : i

ï'(H If II If Л :

, í IА 11А Р í U L11 í i l À

ШМШШ

lili У У W#W tñrTF---4

МПИШШ

ширенное оконное преобразование Фурье с двумя десятками типов окон, вейвлет-преобразования, обширная графика (звездные, глазко-вые диаграммы и т. д.), уникальные средства математического моделирования устройств, которые исследуются осциллографами, работа с осциллографическими файлами формата CSV и многое другое.

Пока система MATLAB на жестком диске компьютера осциллографов DPO/MSO5000 не установлена. Но это временно. Ожидается, что работы по интеграции осциллографов DPO/MSO5000 будут выполнены уже в ближайшее время.

новая серия сверхширокополосных осциллографов DPO/DSA/MSO70000 компании Tektronix

Новая серия осциллографов высшего класса DPO70000C компании Tektronix — это сверхширокополосные осциллографы реального времени категории Hi End [2, 4]. Есть три класса таких приборов:

• DPO — обычные сверхширокополосные цифровые осциллографы;

• DSA — анализаторы сложных сигналов и временных последовательностей;

• MSO — осциллографы смешанных сигналов.

Рис. 19. Окно совместной работы DPO/MSO5000 с электронной таблицей Microsoft Excel

Внешне приборы почти идентичны. У приборов серии MSO (рис. 20) можно заметить дополнительный разъем на передней панели для подключения 16-канального пробника логических и цифровых сигналов. Приборы серии DSA отличаются поставкой расширенного программного обеспечения для анализа высокоскоростных сигналов, устройств и систем. Приборы имеют большой экран дисплея — 12,1 дюйма по диагонали. Возможно подключение внешнего дисплея и множества периферийных устройств, например клавиатуры и мыши. Есть средства для подключения к внешнему ПК и к локальной сети и USB-портам.

Основные параметры осциллографов серии DPO70000 представлены в таблице 3. Все приборы 4-канальные и работают в полосе частот от 4 до 33 ГГц. Такие полосы частот обеспечивают получение времени нарастания от 87,5 до 9 пс. Эффективная частота дискретизации у осциллографов составляет 5 или 10 ТГц/с, что позволяет исследовать самые быстропротекающие процессы. При объединении каналов максимальная скорость выборки может достигать 100 Гвыборок/с. Все приборы имеют минимальную память осциллограмм в 10 млн точек. Скорость обновления осциллограмм у приборов этой серии — 300 000 в секунду.

Таблица 3. Осциллографы серии DPO70000 компании Tektronix

Осциллограф Полоса, ГГц Скорость выборки, Гвыборок/с Число точек Количество каналов

DPO7Ö4Ö4C 4

DPO7Ö6Ö4C 6 25 (5 ТГц/c) 10—125M

DPO70804C 8

DPO71254C 12,5 4

DPO71604C 16

DPO72004C 20 50 (10 ТГц/c) 10—250M

DPO72504D 25

DPO73304D 33

Таблица 4. Осциллографы серии DSA70000 компании Tektronix

Осциллограф Полоса, ГГц Скорость выборки, Гвыборок/с Число точек Количество каналов

DSA70404C 4

DSA70604C 6 25 (5 ТГц/c) 31,25— 125M

DSA70804C 8

DSA71254C 12,5 4

DSA71604C 16

DSA72004C 20 50 (10 ТГц/c) 31,25—250M

DSA72504D 25

DSA73304D 33

Таблица S. Осциллографы серии MSO70000 компании Tektronix

Осциллограф Полоса, ГГц Скорость выборки, Гвыборок/с Число точек Количество каналов

MSO70404C 4

MSO70604C 6 25 (5 ТГц/c) 10—125M

MSO70804C 8 4+16

MSO71254C 12,5

MSO71604C 16 50 (10 ТГц/c) 10—250M

MSO72004C 20

Данные приборов DSA70000 представлены в таблице 4. В отличие от других приборов серии эти осциллографы поставляются с расширенным программным обеспечением для анализа широкополосных сигналов, например, от скоростных проводных и беспроводных шин.

Данные осциллографов смешанных сигналов серии MSO70000 представлены в таблице 5. Серия этих приборов имеет полосу частот от 4 до 20 ГГц и эффективную скорость выборки 5 или 10 ТГц/с.

Во всех приборах используется система запуска и синхронизации Pin-Point, которая поддерживает 1440 (!) условий запуска.

Примеры работы с осциллографами DPO/DSA/MSO70000

Работа с осциллографами DPO/DSA/ MSO70000 напоминает работу с приборами DPO/MSO5000. Но модели серии 70000 — это существенно более мощные (и, увы, более дорогие) приборы [4]. И они имеют ряд дополнительных возможностей.

На рис. 21 показан экран осциллографа DPO70000. Сверху видна обзорная (длинная) осциллограмма, а снизу — осциллограмма

Рис. 21. Экран осциллографа DPO70000

Рис. 22. Наблюдение шумоподобного сигнала (сверху) и построение гистограммы его распределения (слева) и спектра (справа)

Рис. 23. Пример анализа сигнала: его вход в маску

выделенного участка. Эти осциллографы не имеют средства Wave Inspector, но все его возможности реализованы обычными органами управления (система Multi View Zoom), число которых тщательно оптимизировано.

Осциллографы серии 70000 обладают обширными возможностями в представлении сигналов. На рис. 22, к примеру, показан пример просмотра сложного шумоподобного сигнала. Прибор в данном случае обеспечивает построение гистограммы распределения сигнала и его спектра, полученного методом быстрого преобразования Фурье (БПФ).

На рис. 23 показан пример анализа сигнала: его вход в маску. Маску можно задавать смешением самой осциллограммы. Иногда это заметно упрощает процесс задания маски.

Приборы имеют средства для построения множества диаграмм, в частности глазко-

Рис. 24. Пример построения глазковой диаграммы с маской

Рис. 2S. Примеры построения глазковых диаграмм

Рис. 26. Построение спектрограммы

нестационарного сигнала (слева),

его временной зависимости и спектра (справа)

вых. На рис. 24 приведен пример построения глазковой диаграммы с маской при анализе джиттера.

Примеры построения трех таких диаграмм показаны на рис. 25. Как нетрудно заметить, большой размер экрана осциллографов серии 7ОООО позволяет строить одновременно несколько сложных диаграмм и отображать ряд параметров сигнала и самого осциллографа.

Помимо обычного построения спектра осциллографы DSA70000 имеют программные средства для расширенного спектрального анализа нестационарных сигналов. Как и в анализаторах спектра реального времени компании Tektronix, эти средства основаны на коротком оконном преобразовании и позволяют строить спектрограммы

Рис. 27. Экран с различными средствами представления сигналов

Рис. 29. Пассивный пробник аналоговых сигналов

Рис. 28. Пример анализа сигналов от источника питания

сигналов на определенном отрезке времени. Пример такого построения дан на рис. 26.

О разнообразии средств представления сигналов наглядно говорит экран, показанный на рис. 27. Здесь виден общий обзор сигналов, детальные осциллограммы четырех каналов, панель с данными автоматических и статистических измерений, таблица данных сигнала в местах, отмеченных метками, и другие объекты. Большой размер экрана осциллографа позволяет отображать все эти данные с высокой четкостью.

Пример использования программного обеспечения для анализа источников питания приведен на рис. 28. Осциллограф контролирует электрические и энергетические параметры наблюдаемых сигналов и позволяет судить обо всех тонкостях сложных физических процессов, происходящих в современных импульсных источниках питания.

Аксессуары осциллографов серии 70000

Для осциллографов серии 70000 выпускается множество различных аксессуаров. Приборы поставляются с пассивными пробниками аналоговых сигналов (рис. 29). Для смешанных осциллографов серии MSO70000 предназначены пробники логических сигналов (рис. 30).

Для осциллографов смешанных сигналов серии MSO70000 есть пробники логических сигналов (рис. 31). Эти пробники (Р6780,

P6750, P6717A) имеют 17 каналов и полосу частот до 2,5 ГГц.

Для реализации очень широкой полосы частот осциллографов серии 7OOOO часто приходится использовать широкополосные активные пробники, например серии Tektronix Z-Active (рис. 32).

Для того чтобы предельно укоротить соединения, пробники можно подключать к тестируемой печатной плате с помощью наконечников и паяных соединений (рис. 33).

Заключение

Новые серии осциллографов с открытой архитектурой DPO/MSO5000 и DPO/DSA/ MSO70000 открывают новые обширные возможности в исследовании и тестирова-

нии сигналов, устройств и систем. По существу, приборы реализуют новые требования к осциллографии и сближают возможности приборов с возможностями систем компьютерной математики. Наличие открытого компьютера с жестким диском большого объема позволяет интегрировать осциллографы с обширным и мощным программным обеспечением. ■

Литература

1. Дьяконов В. П. Осциллографы фирмы Tektronix открытой архитектуры // Компоненты и технологии. 2010. № 3-4.

2. Осциллографы смешанных сигналов серии MSO/DPO5000/Mixed Signal Oscilloscopes. Техническое описание MSO5000, DPO5000/ MSO5000, DPO5000 Series Data Sheet. Tektronix, 2011.

3. Digital and Mixed Signal Oscilloscopes. DPO/ DSA/MSO70000 Series Data Sheet. Tektronix, 2011.

4. MS070000C Series Mixed Signal Oscilloscopes, DSA70000C Series Digital Signal Analyzers, DPO70000C Series Digital Phosphor Oscilloscopes, DPO7000C Series Digital Phosphor Oscilloscopes. MS05000 and DP05000 Series Oscilloscopes. User Manual. Tektronix, 2011.

5. Дьяконов В. П. MATLAB — новые возможности в технологии осциллографии // Компоненты и технологии. 2009. № 10.

6. Дьяконов В. П., Хотова Ф. А. Компьютерная математика в измерениях. Смоленск: ВА ВПВО ВС РФ, 2011.