Осциллографы компании Tektronix закрытой архитектуры Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Осциллографы компании Tektronix

закрытой архитектуры

В последнее время стало очевидно, что, несмотря на огромный прогресс в разработке широкополосных цифровых осциллографов с полосами частот от 300—500 МГц и выше, наибольшим спросом по-прежнему пользуются менее широкополосные и существенно более дешевые цифровые запоминающие осциллографы (ЦЗО). Это приборы с закрытой архитектурой, содержащие Владимир дьяконов встроенный упрощенный микрокомпьютер, аппаратный доступ к которому зад. т. н., профессор крыт. В статье описана эволюция массовых осциллографов этой архитектуры

[email protected] компании Tektronix и отражен опыт автора по их изучению и применению.

Устройство ЦЗО

Устройство ЦЗО упрощенно показано на рис. 1. Осциллограф содержит аналоговые входные цепи (аттенюаторы и усилители), аналого-цифровые преобразователи АЦП (по числу каналов), устройство сбора информации, память осциллограмм, устройства запуска и синхронизации, устройство цифровой развертки с масштабированием и встроенный микрокомпьютер, управляющий всеми узлами и осуществляющий цифровую обработку оцифрованных сигналов. У осциллографов с закрытой архитектурой применяется микрокомпьютер более простой и дешевый, чем современный персональный компьютер (ПК).

Сигналы в цифровой форме, полученные с АЦП, запоминаются в 3D-памяти в виде страниц с осциллограммами (кадрами), обрабатываются устройством сбора и лишь после этого выводятся на экран ЖК-индика-

тора, что ограничивает скорость обновления осциллограмм.

Массовые и бюджетные ЦЗо Tektronix серий TDS1000/2000

Серия простых ЦЗО TDS1000/2000 компании Tektronix прекрасно зарекомендовала себя в качестве надежных настольных и переносных осциллографов массового применения, вполне доступных для профессиональных и образовательных применений. Их интерфейс пользователя, отличающийся наглядностью и простотой, стал общепризнанным стандартом.

Важнейшим параметром ЦЗО является частота дискретизации сигналов АЦП. Теоретически (на основании теоремы Котельникова) она должна хотя бы вдвое превышать максимальную частоту спектра сигнала. TDS1000/2000 уникальны тем, что у них частота дискретизации на порядок выше максимальной частоты исследуемого сигнала,

Рис. 1. Функциональная схема цифрового запоминающего осциллографа

например, для 200-МГц осциллографов она достигает 2 ГГц. Это позволяет исследовать даже однократные сигналы в реальном масштабе времени. Объем памяти осциллограмм у этих приборов невелик — всего 2,5 кбайт. Существенен и другой недостаток приборов — отсутствие USB-порта, наиболее удобного для стыковки их с современными ПК.

Осциллографы Tektronix серий TDS1000B/2000В с USB-интерфейсом

Серия приборов TDS1000/2000 была заменена на осциллографы TDS1000B/2000B, главными отличиями которых стало введение интерфейса USB для подключения к ПК и применение удобной в работе карты флэш-памяти для сохранения осциллограмм и настроек приборов. Гнездо USB-интерфейса на передней панели видно под правым нижним углом экрана дисплея (рис. 2). Другое гнездо расположено на задней стенке осциллографа.

Рис. 2. Осциллографы Tektronix серий TDS1000B и TDS2000B

Таблица. Основные характеристики осциллографов серии TDS1000B/2000B

Модель Число каналов Полоса частот, МГц Частота выборки, Гвыб/c Экран дисплея

TDS1001B 2 40 0,5 Монохромный

TDS1002B 2 60 1 Монохромный

TDS1012B 2 100 1 Монохромный

TDS2002B 2 60 1 Цветной

TDS2004B 4 60 1 Цветной

TDS2012B 3 100 1 Цветной

TDS2014B 4 100 1 Цветной

TDS2022B 2 200 2 Цветной

TDS2024B 4 200 2 Цветной

Основные характеристики осциллографов приведены в таблице. Разрядность квантования сигнала по уровню — 8 бит, чувствительность — от 2 мВ/дел. до 10 В/дел. (с шагом 2, 5, 10). Встроенный в осциллографы пиковый детектор позволяет обнаруживать пики сигналов с длительностью от 12 нс (у TDS2022B/ 2024В) и выше даже в промежутках между отсчетами. Приборы имеют малые габариты (324х 152x125 мм) и массу (2 кг).

Осциллографы с гальванической развязкой входов серии TPS2000

Приборы серии TPS2000 (TPS2012 (рис. 3), TPS2014, TPS2024) выпускаются давно, но ввиду уникальных возможностей их производят и в наши дни. Приборы имеют как сетевое, так и автономное (от аккумуляторной батареи) питание и гальваническую развязку всех входов, что полезно при исследовании и тестировании источников питания и энергетических объектов, где общий провод может быть под напряжением. Основные параметры приборов те же, что у серии TDS2000.

Начало работы с осциллографом

Включив прибор и дождавшись загрузки его встроенного микропрограммного обеспечения (Firmware), можно приступить к работе. Для повышения точности измерений рекомендуется дать прибору прогреться в течение 15-20 минут. После этого нужно настроить пассивные пробники P-2220, прилагаемые к прибору (в количестве 2 или 4 в соответствии с числом каналов), с помощью встроенного в осциллографы калибратора. Закрепите на их проводах маркеры с цветом осциллограммы соответствующего канала.

Стандартные пробники P-2220 для этих приборов обычно используются с коэффи-

циентом деления напряжения 1:10 и реализуют максимальную полосу частот до 200 МГц. Но при коэффициенте деления 1:1 полоса пробников сужается до 6 МГц, а входная емкость превышает 100 пФ при входном сопротивлении 1 МОм. В этом случае осциллограф используется на самых чувствительных позициях вертикального тракта в 2, 5 и 10 мВ/дел. При коэффициенте деления 1:10 входное сопротивление составляет 10 МОм, а входная емкость — 15 ±2 пФ.

Подав на входы исследуемые сигналы, нужно нажать кнопку автоматической установки Autoset и дождаться осциллограмм, которые появляются через несколько секунд. Далее можно уточнить их окончательный вид обычными ручными настройками каналов Y и X осциллографа. Для приборов поставляется несколько пробников: высоковольтные, токовые, дифференциальные и т. д. [6].

Измерение переходных характеристик осциллографов TDS2024В

Для исследования импульсов с малым временем нарастания и спада наиболее подходят приборы серии 2000 с полосой частот 200 МГц. Практически проверена работа осциллографа TDS2024B при подаче прямо на вход сигнала в виде почти идеальных прямоугольных импульсов с длительностью около 8 нс и частотой 50 МГц. В качестве источника импульсов использовался генератор наносекундных импульсов Г5-85, обеспечивающий длительность фронтов импульсов не более 0,3 нс. Импульсы подавались прямо на вход канала СН1 через 50-омный кабель, который у осциллографа был нагружен (с помощью согласованного тройника) на 50 Ом.

Техническими условиями задано время нарастания при подаче сигнала прямо на входы или с применением пробников Р-2220 с коэффициентом деления напряжения 1:10 не более 2,1 нс. Осциллограмма импульсов, показанная на рис. 4, свидетельствует о том, что время нарастания осциллографа составляет не более 1,6—1,8 нс. Это хорошо соответствует известной формуле:

Н = 0,35//*

где f — верхняя частота среза, определяющая полосу частот каналов вертикального отклонения осциллографа (при f = 200 МГц имеем tH = 1,75 нс). Таким образом, заявленное время нарастания полностью реализуется. Выброс на фронтах не превышает 5%.

При коэффициенте деления 1:1 время нарастания вертикального тракта с пробником P-2220 оказалось куда больше — 40-45 нс. Причины этого (сужение полосы пропускания пробника и увеличение входной емкости) уже отмечались.

Запись и сохранение осциллограмм

Разъем USB-порта на передней панели предназначен для подключения карт флэш-памяти малой емкости — до 2,2 Мбайт. Однако проверка показала, что проблем с работой карт с емкостью 128-512 Мбайт не возникало. В меню утилит Utility есть команда форматирования карт флэш-памяти.

Для быстрой записи осциллограмм в ряде графических форматов, их данных и файлов текущей настройки осциллографа можно использовать кнопку Save (Print) на передней панели осциллографа. При этом создаются комплекты файлов в папке ALLnnnn с номером nnnn.

В память можно записывать установки осциллографов, данные для построения осциллограмм и сами осциллограммы в виде графических файлов (рис. 5). Они могут записываться в формате BMP, EPS, JPG, PCX, RLE и TIF. Имена файлов в виде FnnnnTEK. xxx задаются автоматически с номером nnnn и расширением xxx, совпадающим с сокращенным обозначением типа файлов.

Файлы настроек записываются в текстовом формате с именами FnnnnTEK.SET. Для файлов данных используется текстовый формат CSV (рис. 6). Описание функций и команд в этих файлах можно найти в руководстве по программированию осциллографов, воспользовавшись Интернетом.

Кнопку Save/Print можно настроить (в меню Save/Recall) на печать осциллограмм через USB-порт принтером, поддерживающим технологию PictBridge. Возможна экономная печать осциллограмм на белом фоне, изменение ориентации печати и настройка параметров печати.

Рис. 4. Осциллограмма импульсов с малым временем нарастания и спада

Рис. 5. Пример отображения сигналов от функционального генератора MXG-9810A и использования меню записи и считывания графических файлов (Save/Recall)

Рис. 6. Пример просмотра файла первого канала осциллограммы рис. 5 с помощью текстового редактора Notepad

Осциллографирование стандартных сигналов и курсорные измерения

На рис. 5 и 7 представлены осциллограммы стандартных прямоугольных и пилообразных импульсов с выходов функционального генератора MXG-9810A в момент остановки сбора данных осциллографом. Ее признаком является красный кружок с надписью Stop. Осциллограммы выглядят почти идеально: шумы и дискретизация сигналов едва заметны.

Рис. 7. Пример отображения сигналов от функционального генератора М^-9810А и применения курсоров для измерения размаха пилообразного напряжения

Кнопка Cursor позволяет вывести курсоры для проведения курсорных измерений. Позиции меню курсоров очевидны: в данном случае выведены два горизонтальных курсора для канала CH2, и они использованы для измерения полного размаха пилообразного напряжения. С помощью курсоров в виде вертикальных линий можно измерять моменты времени и интервалы между ними.

Синхронизация и просмотр телевизионных сигналов

Несколько слов стоит сказать о синхронизации (запуске) осциллографов серии TDS1000B/2000B. Синхронизация работает устойчиво во всем диапазоне частот. Есть новый для дешевых осциллографов вид синхронизации — по импульсам заданной длительности. Ранее он был только в более дорогих осциллографах.

В осциллографах TDS1000B/2000B есть синхронизация по любой строке телевизионного сигнала, что позволяет использовать

осциллографы данной серии для серьезного исследования, отладки и сервисной проверки телевизионной аппаратуры, работающей в различных ТВ-стандартах (рис. 8).

Рис. 10. Пример телевизионного сигнала с выделением зоны интереса

Рис. 8. Пример просмотра

четырех телевизионных сигналов (формат PAL)

Нетрудно заметить, что вспышка цветовой поднесущей на осциллограмме первого канала и импульсы тактовой частоты на четвертом канале детально не видны. Вращая ручку Sec/Div (с/дел.) можно вывести в центр экрана часть осциллограммы, например для детального просмотра ее нужных участков (рис. 9). Теперь необходимые особенности сигналов отчетливо видны.

Для выделения интересующих пользователя деталей сигналов (так называемых зон интереса) можно также воспользоваться цифровой лупой времени. Для этого в меню Horizontal используется позиция Window Zone (зона окна) (рис. 10).

Рис. 11. Пример просмотра

выделенного участка телевизионного сигнала

Зона интереса задается двумя штриховыми вертикальными линиями (их стиль отличен от стиля линий курсоров). Ширину зоны можно задавать ручкой Sec/Div, а положение — ручкой Position. Активизировав позицию Window (окно), можно растянуть выделенный участок на весь экран (рис. 11). Теперь все особенности сигнала в зоне интереса отчетливо видны.

Меню Display открывает возможности интересных настроек осциллографов описываемых серий:

• Type — тип представления осциллограмм (Vector — векторный или Dot — точечный).

• Persist — персистенция (накопление) осциллограмм (Off — выключено, 1, 2, 5 с или бесконечность (Infitite)) (рис. 12).

Рис. 9. Пример просмотра небольшого участка четырех телевизионных сигналов

Рис. 12. Пример наблюдения эффекта персистенции на осциллограмме канала CH2

• Format — формат вывода осциллограмм (YT — обычный, как представление сигнала функцией времени и XY — представление сигнала в параметрическом виде).

• Contrast — установка уровня контрастности в процентах (50% по умолчанию).

Математическая обработка сигналов и автоматические измерения

Математическое меню (Math Menu), вводимое кнопкой с тем же названием, осуществляет арифметические операции сложения, вычитания и умножения сигналов двух каналов — CH1 и CH2 (а у 4-канальных приборов и между CH3 и CH4). На рис. 4 видна возможность индикации до 5 (из 11) автоматических измерений, которые задаются в позициях меню кнопки Measure. Измерение частотных параметров реализовано с помощью встроенного аппаратно-цифрового частотомера с 6 разрядами индикации.

Тек А ly*!4Jí*L МАЇН

Anta

■

ІМЙ

Ш

І І» ПТ ИЯ! В I I

Рис. 13. Спектр пилообразного импульса

Приборы реализуют метод оконного быстрого преобразования Фурье (Fast Fourier Transform, FFT). Спектр у осциллографов TDS1000B/2000B строится по 2048 отсчетам. Есть возможность растягивать спектр в 2, 5 и 10 раз с помощью позиции FFT Zoom меню Math. Масштаб спектра по вертикали только логарифмический (рис. 13). Густота линий спектра изменяется ручкой Sec/Div переключения длительности развертки, а сам спектр можно перемещать по горизонтали ручкой Position.

Тек А JW* öftsfln

Typf

ДЗІЕ

і іпьг, пт ай; t

Рис. 14. Пример применения курсоров для оценки уровня первой и третьей гармоник сигнала

Возможен выбор одного из трех типов окон: плоского (Flattop), Хэннинга (Hanning) и прямоугольного (Rectangular). Кнопкой Cursor можно вызвать курсоры для измерения уровня гармоник спектра (рис. 14).

К сожалению, анализатор спектра этих приборов непригоден для просмотра тонких спектров, например, амплитудно-модули-рованных колебаний с боковыми полосами, немного отличающимися от несущей частоты. Последние будут просто невидимы, даже если использовать прямоугольное окно с наивысшим частотным разрешением. Однако спектры большинства видеосигналов (например, прямоугольных, пилообразных, треугольных, искаженных синусоидальных и др.) воспроизводятся вполне прилично.

Осциллографы TDS3000B/3000C

Осциллографы серии TDS3000B (рис. 15) среди приборов с закрытой архитектурой занимают среднее место. Выпускалось 6 моделей этих приборов с двумя и четырьмя каналами и полосой частот от 0 до 100, 300 и 500 МГц. У старших моделей TDS3052B/3054B полоса дискретизации доведена до 5 Гвыб/c, диапазон развертки—от 1 нс/дел. до 10с/дел., коэффициенты отклонения по вертикали — от 1 мВ/дел. до 10 В/дел. (вход 1 МОм) и до 1 В/дел. (вход 50 Ом). Разрешение по вертикали — 9 бит, длина записи — 10 кбит. Питание приборов осуществляется от сети и устанавливаемых в них сзади батарей.

В этих осциллографах впервые была применена фирменная технология цифрового фосфора (люминофора) — DPO. При ней множество осциллограмм хранится в специальной трехмерной памяти (как страницы в книге). Выводя их на экран, на определенное время можно получить эффект аналогового послесвечения. Этот эффект облегчает просмотр кратковременных аномалий — глюков и сложных сигналов (см. заставку телевизионного сигнала на экране прибора на рис. 15).

В осциллографах серии TDS3000В нет разъемов USB, а в качестве сменной памяти используются ныне устаревшие гибкие диски. В обновленной версии осциллографов TDS3000C этот недостаток устранен, и в них

Рис. 16. Внешний вид осциллографа TDS3054C

уже есть разъемы USD, в том числе на передней панели (рис. 16). Основные параметры приборов не изменились.

Осциллографы DPO/MSO4000

Новый уровень в построении осциллографов задала разработка приборов DPO4000 (рис. 17) — старшей серии среди приборов с закрытой архитектурой, заслуживших ряд наград международного уровня [4]. Обладая умеренной стоимостью и высокими техническими характеристиками, эти современные приборы имеют самую большую в своем классе длину записи на каждый канал (10 Мбайт) и уникальное средство просмотра длинных записей — Wave Inspector («инспектор волн»). Выпускаются приборы с полосой частот до 350 МГц (DPO4032/4034), 500 МГц (DP04054) и даже 1 ГГц (DP04104). Последняя цифра в наименовании приборов указывает на число каналов.

Минимальное число точек дискретизации в режиме реального времени — 5, что с учетом улучшенной интерполяции с запасом обеспечивает реализацию условий дискретизации сигналов с максимальной частотой. Используется интерполяция sin(x)/x, дающая наилучшее приближение для реальных сигналов. Кроме того, эти приборы имеют небольшой вес (около 5 кг), малые габариты (229х439х 137 мм) и большой размер цветного ЖК-экрана (26 см по диагонали) с высоким (1024x768 пикселей) разрешением.

Осциллографы серии DPO4000 стали основой для новой серии осциллографов смешанных сигналов — MSO4000. Приборы, представленные в апреле 2007 г., отличаются от DPO4000 только возможностью дополнительно отображать до 16 цифровых (логических) сигналов. Таким образом, число отображаемых сигналов на экране осциллографа достигает 20, и эти приборы, наряду с функциями цифровых осциллографов, выполняют еще и функции логических анализаторов среднего класса.

Внешний вид осциллографа класса MS04000 показан на рис. 18. Здесь же указаны основные органы управления: 1 — поворотные ручки Wave Inspector, 2 — кнопки управления метками Wave Inspector и их перемещения, 3 — кнопки поиска Wave Inspector, 4 — входные разъемы каналов (2 или 4

Рис. 19. Экран с данными прошивки 2.28 осциллографов DPO4104

для обычных сигналов и 16-канальный вход логических сигналов), 5 — кнопки дополнительных опций (возможностей) осциллографа, 6 — экран ЖК-дисплея, 7 — разъемы для подключения флэш-карт памяти, 8 — органы управления каналов вертикального отклонения, 9 — разъемы входов плюс вход внешнего запуска развертки.

Обратите внимание на семь маленьких кнопок прямо под экраном и пять таких же кнопок справа от экрана. Они служат для активизации позиций меню, которые появляются снизу и справа на экране при выполнении тех или иных операций (см. примеры ниже). Под кнопками в правой части экрана имеется отдельная кнопка Menu Off для сброса меню. Кроме того, справа от экрана имеются две большие многофункциональные поворотные ручки Multipurpose («многофунциональность»), которые имеют обозначения “а” и “b” в красных кружках. Если эти обозначения присутствуют в меню или у объектов на экране, то это значит, что есть возможность выбора соответствующего параметра с помощью данных ручек. Кнопки Fine («точно») у этих ручек обеспечивают более точную регулировку этими ручками, например при перемещении курсоров. Кнопка «Яркость» позволяет задавать яркость линий осциллограмм и масштабной сетки.

Смена микропрограммного обеспечения у осциллографов DPO/MSO4000

Приборы DPO/MSO4000 могут легко модифицироваться сменой (прошивкой) их микропрограммного обеспечения, которое компания Tektronix регулярно выставляет на своем Интернет-сайте www.tektronix.com. К примеру, при установке версии 2.13 (начало 2008 г.) обеспечены следующие улучшения:

• Скорость обновления осциллограмм повышена с 3700 до 50 000 осц. /с и выше, то есть более чем на порядок.

• Заметно улучшена система экранных меню и сообщений.

• Введен ранее отсутствующий режим XY.

• Вдвое (с 4 до 8) увеличено число одновременно выводимых на экран результатов автоматических вычислений.

Рис. 18. Внешний вид осциллографов MSO4000

• Введены новые автоматические измерения для импульсных последовательностей.

• В осциллографах смешанных сигналов MS04000 автоматические измерения стали возможны как для аналоговых, так и цифровых сигналов.

• К осциллографу можно подключать USB-клавиатуру.

• Заметно повышена скорость записи копий экрана и осциллограмм на внешние носители (флэш-карту и USB-модули) и сняты ограничения на их емкость.

• Устранен ряд погрешностей, выявленных в первых версиях микропрограммного обеспечения осциллографов.

Для установки нового микропрограммного обеспечения достаточно распаковать полученный заархивированный файл, разместить его на флэш-карте памяти и, вставив ее в USB-разъем осциллографа под экраном, включить прибор. Загрузка программного обеспечения пройдет автоматически. На рис. 19 показано информационное окно осциллографа DP04104 с данными о загруженной версии 2.28 (февраль 2009 г.). Для вывода окна выполняется команда экранного меню «О программе», вызываемого нажатием кнопки вызова утилит Utility.

Новейшие версии микропрограммного обеспечения 2.28 и 2.30 обеспечивают полную поддержку всех приборов серий DPO/ MSO4000 и ряда модулей микропрограммного обеспечения. Эти модули, перечисленные

на рис 19, вставляются в разъемы, видные в правом верхнем углу лицевой панели осциллографа (до двух модулей одновременно). Для их выбора служат кнопки слева от органов управления каналами. Есть модули для тестирования различных последовательных шин (I2N, RS-232 и др.), видеосистем, источников электропитания и др. ■ Окончание следует

Литература

1. Дьяконов В. П. Современная осциллография и осциллографы. М.: СОЛОН-Пресс, 2005.

2. Афонский А. А., Дьяконов В. П. Измерительные приборы и массовые электронные измерения. М.: СОЛОН-Пресс, 2007.

3. Дьяконов В. Бюджетные цифровые запоминающие осциллографы // Ремонт и сервис. 2006. № 6.

4. Уткин Ю. А. Новый осциллограф Tektronix DP04000 изменяет рынок // Контрольно-измерительные приборы и системы. 2006. № 1-2.

5. Афонский А. А. Новые осциллографы Tektronix DP03000 // Контрольно-измерительные приборы и системы. 2008. № 3.

6. Афонский В. А., Дьяконов В. П. Современные осциллографические пробники и их грамотное применение // Контрольно-измерительные системы и приборы. 2007. № 5-6. 2008. № 1.

7. Осциллографы с цифровым люминофором серии MS03000 и DP03000. Tektronix, 2009. www.tektronix.com