CC BY
3осциллографы высокой точности Teledyne LeCroy HDO4000/6000:
путешествие по просторам времени
Владимир ДьяконоВ, д. т. н., профессор
vpdyak@yandex.ru
Высокая точность и четкость осциллограмм в сочетании со способностью легко обнаруживать аномалии в исследуемых сигналах — таковы отличительные свойства осциллографов HDO4000/6000, созданных корпорацией Teledyne LeCroy, Inc. Эта статья продолжает серию материалов, посвященных применению осциллографов класса HDO, и описывает увлекательное путешествие по просторам мира электрических процессов.
Много памяти, сегментация, синхронизация и запуск
Осциллографы HDO4000/6000 [1, 2] имеют не только высокоточные каналы для аналоговых сигналов, но и уникально широкий диапазон временной развертки — от 20 пс/дел. до 2500 с/дел. при числе делений 10 и погрешности ±2,5хЮЛ Для чего нужен столь широкий диапазон времени развертки? Дело в том, что в аппаратах HDO осциллограммы можно считывать не только с экрана самого осциллографа, но и из файлов других подобных устройств, например широкополосных, скоростных и дорогих. И с ними можно также работать на данном осциллографе!
Любая осциллограмма характеризуется числом точек и скоростью сбора данных или частотой дискретизации. У осциллографов HDO максимальная частота дискретизации равна 2,5 ГГц. При такой скорости вся штатная память канала (50 Мбайт, с опцией расширения до 250 Мбайт) полностью заполняется всего за пару десятков мс. Но проблема в том, что на экране отображается не более 1000 точек сигнала, поэтому такая огромная память для обычной осциллограммы просто не нужна. Она может использоваться для записи множества осциллограмм.
Режим сегментированной памяти позволяет осциллографу HDO разделить захваченный сигнал на сегменты (до 10 000 сегментов), удаляя ненужное межсегментное время, выделить отдельный сегмент для анализа и сохранения, а также последовательно воспроизвести все полученные сегменты. Это предоставляет возможность сохранить высокую частоту дискретизации при отображении ВЧ-сигналов,
уменьшить время простоя (dead time) и произвести измерения временных интервалов между редко повторяющимися сигналами.
Осциллограф имеет систему синхронизации и запуска как с обычными функциями (запуск по фронтам, длительности импульсов и т. д.), так и с функцией TriggerScan, описанной ниже. Возможна работа в автоматическом, ждущем и однократном режиме и управление порогом запуска.
Широчайший диапазон частот и времен исследуемых сигналов
Осциллографы HDO имеют широчайший диапазон частот и времен исследуемых сигналов. Нижняя его граница определяется максимальным объемом памяти. Например, на рис. 1 представлена осциллограмма низкочастотного (1 Гц) синусоидального сигнала, который относится уже к инфразвуковым частотам. И это вовсе не является нижним пределом для осциллографов данного типа.
А на рис. 2 показана осциллограмма СВЧ-сигнала с частотой 100 МГц от генератора сигналов произвольной формы Tektronix AFG3101 (это его максимальная частота). Хотя она в 100 000 000 раз выше частоты 1 Гц, ее осциллограмма ничем (кроме масштаба) не отличается от осциллограммы 1-Гц сигнала. В различии частот можно убедиться, лишь рассматривая дескрипторы развертки на рис. 1 и 2 и результаты автоматических измерений.
Рис. 1. Осциллограмма низкочастотного синусоидального сигнала с частотой 1 Гц
Рис. 3. Осциллограмма импульсов и расширение их фронта
Оба примера, кстати далекие от предельных, прекрасно характеризуют широчайшие диапазоны частот и времени, с которыми работают осциллографы класса HDO.
«Лупа времени» Zoom и ее применение в поиске аномалий
Многие сигналы очень сложны и содержат участки с длинными и короткими фрагментами, различные наводки (часто высокочастотные) и аномалии. Их просмотр требует специальных средств. Одно из них — «лупа времени» была впервые разработана и применена еще в аналоговых осциллографах Tektronix, а затем и в приборах других фирм. Чаще всего «лупа времени» реализуется в виде двух разверток — основной медленной для просмотра всего сигнала и запускаемой через регулируемый интервал времени быстрой развертки, с помощью которой на весь экран растягивается короткий отрезок сигнала.
В цифровых осциллографах HDO «лупа времени» выполнена иначе. Основная цифровая развертка позволяет наблюдать очень большое число отсчетов сигналов, а короткая «развертка» просто выбирает небольшое, но достаточное для наблюдения число отсчетов и позволяет наблюдать их в расширенном (zoom) на весь экран виде с применением, если надо, интерполяции. Включается «лупа времени» кнопкой Zoom на панели управления осциллографом.
На рис. 3 в верхнем окне показан импульс с малым временем нарастания и спада (менее 1,5 нс). Фронты импульса трудно разглядеть и проанализировать.
Теперь включим режим Zoom и, вращая ручку перемещения по горизонтали, установим яркую часть осциллограммы на нужный участок,
Рис. 4. Детальный просмотр высокочастотной наводки на синусоидальный сигнал
подлежащий исследованию, — к примеру, на положительный фронт. Он появляется в нижнем окне рис. 3, и, активизируя дескриптор Zoom, можно перевести управление в расширенное окно и задать новый масштаб по горизонтали и вертикали. Теперь ясно, что фронт имеет длительность всего около 1,4 нс. При просмотре этого импульса использована интерполяция вида sin(x)/x, при которой отсчеты сигнала дополняются 10 промежуточными отсчетами. Если необходимо, можно задать автоматическое измерение длительности даже такого короткого фронта.
Аналогичным образом рассмотрим высокочастотные наводки на синусоидальный сигнал (рис. 4). Таким образом, легко увидеть и содержащиеся в периоде сигнала и повторяющиеся аномалии.
наблюдение квантованного сигнала
Благодаря 12-битной разрядности сигналов (вместо обычной 8-битовой) осциллографы HDO имеют повышенную четкость осциллограмм и практически незаметные собственные ступеньки от квантования сигналов. Поэтому они предпочтительны для наблюдения квантованных сигналов на выходе цифро-аналогового преобразователя — например, в генераторах с цифровым синтезом сигналов различной формы (рис. 5).
Введение в такие преобразователи фильтров позволяет практически убрать ступеньки квантования. Однако высокочастотные шумы и короткие импульсы от дифференцирования ступенек остаются, хотя на первый взгляд и невидимы. Растяжка сигнала по горизонтали и вертикали помогает четко рассмотреть данные аномалии (рис. 6).
Несмотря на аппаратную реализацию дискретизации повышенной разрядности (12 бит), осциллографы HDO имеют и такое мощное
И
Рис. 9. Меандр: а) с гистограммой; б) с трендом; в) с треком
средство повышения четкости осциллограмм и уменьшения шумов, как усреднение по множеству осциллограмм и программное улучшение разрядности на заданное дополнительное число бит (но с потерей эффективной полосы частот). Эти средства включены в панели установки аналоговых каналов (рис. 1, внизу).
Дополнительные графики растяжки Zoom
Растяжка Zoom полезна и при детальном анализе импульсных сигналов. На рис. 7 показан пример растяжки вершины импульсов, выявляющий наличие высокочастотной синусоидальной наводки на вершине меандра.
Растяжка широко применяется для наблюдения детальной формы импульсов и их фронтов (рис. 8). Она может быть дополнена результатами автоматических измерений длительности фронтов и других параметров импульсов.
Обратите внимание, что в панели установок растяжки имеется строка «Действие с Р...» с перечислением видов дополнительной графики растяжки. Например, иконка «Гистогр.» служит для вывода гистограмм статистических измерений (рис. 9а).
Иконка «Тренд» выводит график тренда (рис. 9б), а иконка «Слеж.» выводит график слежения (трек) (рис. 9в). Они очень полезны при детальном анализе сигналов.
Просмотр сигналов с качающейся частотой
Особое место занимают сигналы с меняющейся во времени частотой. Такие синусоидальные сигналы с медленно изменяющейся частотой формируют специальные генераторы качающейся частоты, которые широко применяются при снятии амплитудно-частотных (АЧХ) и фазо-частотных (ФЧХ) характеристик усилителей, фильтров и других устройств. По осциллограмме таких сигналов видно, что их частота меняется, но по какому закону — неясно (рис. 10).
Построение спектра сигнала качающейся частоты мало что дает для его изучения. Разве что пики гармоник сигнала меняют свое положение на горизонтальной оси частот, но по какому закону они движутся, непонятно. Правда, становится заметной асимметрия пиков, свидетельствующая о динамических искажениях при анализе спектра. При медленном качании очень полезны спектрограммы сигнала, дающие ясное представление о законе изменения частоты.
Телевизионная развертка
Одним из самых сложных сигналов является телевизионный видеосигнал. Он имеет регулярную составляющую в виде импульсов синхронизации кадров и строк и нерегулярную составляющую, несущую информацию об изображении, наблюдаемом на экране телевизора.
Наблюдение телевизионного сигнала усложняется тем, что он должен соответствовать одному из ряда стандартов, принятых в мире. Для сокращения полосы частот при создании видеосигнала применяется чересстрочная развертка. Все это приводит к необходимости создавать в осциллографе специальную телевизионную систему запуска и синхронизации развертки. Есть такая система и в осциллографах класса HDO.
На рис. 11а показана осциллограмма фрагмента телевизионного сигнала с демоплаты RIGOL Beyond Measure для строки 159 поля 1. Наглядно видна сложность сигнала и необходимость использования при его просмотре «лупы времени».
Другой фрагмент данного сигнала представлен на рис. 11б. Нетрудно заметить, это совсем другой сигнал, чем на рис. 11а. Оба фрагмента составляют лишь малую часть строк и полей всего сигнала.
Внизу экрана на рис. 11 представлена панель установок для просмотра телевизионного сигнала. Она содержит установки типа и стандарта телевизионного сигнала и указания номеров строки и поля сигнала, подлежащего наблюдению.
Поиск аномалий с помощью системы TriggerScan
Большие трудности представляет поиск в сигнале редких и нерегулярных аномалий. У многих осциллографов он сводится к использованию искусственно созданного «аналогового послесвечения» (пер-систенции), задерживающего фрагменты осциллограмм на заданное время (вплоть до бесконечности). Однако осциллограммы при этом накладываются друг на друга, и разобраться, где именно находится та или иная аномалия и что она собой представляет, бывает затруднительно. Кроме того, сложно вывести аномалию на экран дисплея, особенно если она появляется редко и нерегулярно.
Для поиска аномалий в сигнале компания LeCroy создала специальную систему сканирования сигналов TriggerScan с поиском
аномалий, удовлетворяющих заданным условиям. Пример задания поиска аномалий в пачках меандра по заданным условиям показан на рис. 12. Условия задаются в окне, имеющемся в центре экрана.
После установки вида аномалий проводится сканирование сигнала с обнаружением всех аномалий в исследуемом сигнале (рис. 13). В панели Trigger List появляется список обнаруженных аномалий с их коротким описанием. Это можно увидеть на рис. 13.
Остается выбрать интересующую пользователя аномалию и в панели контроля пустить TriggerScan. Будет построена осциллограмма фрагмента сигнала с отчетливо видимой в центре окна осциллограммы аномалией (рис. 14). В данном случае был задан поиск короткого глюка в составе меандра.
Вид аномалии может храниться и в специальном файле. Для загрузки такого файла с указанием его имени служит виртуальная
Рис. 12. Меандр с аномалиями и окно установок системы TriggerScan
Рис. 13. Система TriggerScan обнаруживает все аномалии
н Г" — П п т i П 1 и » — п
_ L . J_ f 1 1 U u U L"
: "ri:
t i 1. "Г, 1 -
ъ*
1
h — - — j,.. 7— jj —' ->— —
= 2 Т"* т
Рис. 14. Выявленная аномалия - короткий глюк
Рис. 15. Вызов установок TriggerScan из файла
клавиатура, показанная на рис. 15. Она рассчитана на работу с сенсорным экраном осциллографа, но могут применяться и стандартные средства ПК — мышь и клавиатура, подключенные через разъемы универсальной последовательной шины USB (два таких разъема установлены в правом нижнем углу передней панели осциллографа и четыре — на правой стороне корпуса).
Просмотр логических сигналов
Еще в одном домене (области) логических сигналов могут работать новейшие осциллографы HDO4000/6000-MS. Для этого к их специ-
Рис. 16. Осциллограммы логических сигналов:
а) с логических каналов С0—С7; б) с выходов цепочки делителей частоты
альному входу подключается многоканальный пробник логических сигналов. Он имеет по две группы из восьми каналов каждая, и каналы обозначаются как С0-С7 в одной группе и С8-С16 в другой. Это соответствует просмотру параллельных каналов передачи данных. Осциллограф с опцией логического анализатора работает подобно последнему и служит для построения логических диаграмм (рис. 16а).
Данные передаются в виде горизонтальных отрезков с перепадами между ними, отвечающими переходу от «лог. 0» до «лог. 1» (положительный перепад) и с «лог. 1» на «лог. 0» (отрицательный перепад). Регулировка масштаба для логических сигналов не предусмотрена, поскольку с реальной амплитудой высота горизонтальных отрезков не связана. Длительность перепадов на диаграммах равна 0. Максимальная частота логических сигналов 200 МГц.
Рис. 17. Одновременный просмотр логических и аналогового сигналов в разных окнах
На рис. 16б показаны сигналы с цепочки делителей частоты на два, построенных на основе триггеров со счетным запуском.
Иногда нужно наблюдать одновременно логические диаграммы сигналов и осциллограммы реальных сигналов на аналоговых входах осциллографа. Это вполне возможно (рис. 17). Такое нужно при исследовании физических особенностей и параметров логических сигналов в нормальном их виде. На рис. 17 аналоговая осциллограмма показана с расширением в левом окне, а логическая диаграмма цепочки делителей частоты — в правом окне.
Кстати, у осциллографов предусмотрена возможность настройки на логические сигналы от различных типов микросхем, а также на сигналы с параметрами, устанавливаемыми пользователем.
Построение глазковых диаграмм
При исследовании некоторых видов сигналов (заметим, что далеко не всех) наряду с обычными осциллограммами все шире используются специальные глазковые диаграммы. Чаще всего они применяются при исследовании сигналов от высокоскоростных коммутационных устройств, каналов и устройств передачи данных и линий связи. Осциллографы HDO корпорации Teledyne LeCroy позволяют строить красочные глазковые диаграммы вместе с масками, определяющими их допустимое месторасположение и размеры.
Сигналы при этом определенным образом нормируются [3] и используются наложенные прямая и инверсная формы нормированного сигнала (или нормированный входной и выходной сигнал тестируемого устройства). В результате получается диаграмма, напоминающая вид раскрытого глаза. Глазковая диаграмма часто строится вместе с осциллограммой исходного сигнала (рис. 18).
Ширина линии глазковой диаграммы возрастает с повышением уровня шумов, а высота «глаза» зависит от амплитуды прямого и инвертированного сигналов. Если она достаточно велика и сигналы пересекаются, то «глаз» открыт и тестируемое устройство работает нормально. При уменьшении высоты диаграммы «глаз» закрывается и работа устройства становится невозможной. Обычно задают допустимую высоту открытого «глаза» с помощью маски в виде восьмиугольника (рис. 19). Средства для создания масок имеются в панели установок глазковых диаграмм. Маска может создаваться и замораживанием самих осциллограмм.
Декодирование и наблюдение сигналов шин
В последнее десятилетие массовое применение получили последовательные системы, линии и шины для передачи информации. Напомним, что параллельные шины передают каждый разряд данных по отдельному проводу. А последовательные линии передают данные по одному проводу или каналу связи с временным разделением разрядов. Общее число проводов в последовательных шинах резко уменьшается. Данные в последовательных проводных шинах передаются по согласованным линиям передачи с высокой скоростью. Широко используются и беспроводные линии передачи.
Для последовательной передачи данных в разных типах линий предназначены различные стандарты и протоколы кодирования, и для наблюдения сигнала данных требуются специальные демодуляторы. Обычно они придаются как опции для тестирования шин по заданному протоколу (а их применяется с десяток и более типов). Однако в осциллографах HDO6000/60000MS штатно используется опция декодирования по ряду популярных протоколов. Она включается и выключается с панели управления осциллографом нажатием кнопки Decode.
На рис. 20а показан результат декодирования давно применяемой шины невысокого быстродействия I2C.
iiiliüi ш iiuH... пш: I
Рис. 18. Глазковая диаграмма и осциллограмма исходного сигнала
Igil / / I i l i t i i f i t~~f ™ if fg f
{ ! ! t 1 4 Л i t / / J f t / / t i S { t J f /
t -• ; t * >.; J .•} г i i ! ■ - L- } t t i t
I I
l-j i ■ 1 i ,j|
a^jL'uöl'L L
a5is:
Рис. 19. Глазковая диаграмма и маска
Рис. 20. Декодирование: а) шины I2C; б) шины SEND
На рис. 20б приведен пример декодирования шины нового поколения SEND. Интерфейс декодировщика этой шины тщательно проработан и удобен для проведения подробного тестирования шины.
Результаты декодирования шин можно зафиксировать в записной книге осциллографа Notebook. Это показано на рис. 21.
Тестирование последовательных шин — одна из трудоемких и ответственных работ, требующая подробного знакомства с шинами и протоколами их кодирования и декодирования. Поэтому приведенные выше примеры дают лишь первое знакомство с этой увлекательной темой.
Система расширенного просмотра сигналов WaveScan
Всевозрастающая сложность исследуемых сигналов делает процесс исследования сложным и трудоемким. Порой нужно найти один бит (или байт) среди многих миллиардов в большой памяти осциллограмм или короткую особенность в длинной осциллограмме, занимающей тысячи сегментов осциллограмм. Для облегчения этого процесса была создана специальная система просмотра и сканирования длинных осциллограмм WaveScan.
Новая функция WaveScan предлагает возможность по обнаружению редких событий в однократной развертке или сканирования развития событий по множеству разверток в течение длительного периода времени. Пользователь может выбрать около 20 режимов поиска (фронт положительный или отрицательный, длительность импульса, частота, время нарастания, скважность и т. д.). Затем требуется задать необходимые условия поиска и активировать поиск особенностей осциллограмм.
В отличие от режимов поиска Tektronix и Agilent режим WaveScan не дублирует режимы и установки схемы синхронизации и выполняет поиск не только по временным параметрам, но и по амплитудным или частотным, с индикацией реальных результатов измерений и временных отметок их появления.
Осциллограф с WaveScan позволяет просканировать миллионы отсчетов в последовательности для поиска редких явлений и делает это гораздо быстрее и эффективнее, чем другие аналогичные приборы. При этом используется фирменная технология LeCroy — X-Stream, резко ускоряющая передачу данных при просмотре осциллограмм. WaveScan существенно дополняет, а не использует стандартные функции системы синхронизации и пуска.
WaveScan может находить события в течение длительного времени (часы и даже дни) и применять к ним большое количество функций. WaveScan можно настроить на поиск событий, который отсутствует у осциллографов других фирм, например частоты вне ожидаемого диапазона. Затем WaveScan может остановить сканирование, сохранить осциллограмму найденного события и продолжить сканирование (рис. 22а).
Рис. 22. Использование WaveScan для поиска: а) положительных фронтов с выводом результатов автоизмерений и микрогистограмм статистики; б) фронтов, длительность которых измеряется
Можно задать, к примеру, поиск фронтов, чья длительность измеряется с помощью автоматических измерений. В этом случае подлежащий измерению фронт выводится в красном прямоугольнике, указывающем уровни, на которых измеряется его длительность (рис. 22б).
Режим работы History
Когда мы мысленно путешествуем во времени и пытаемся анализировать те или иные события, огромную помощь нам оказывает память, позволяющая как бы вернуться в прошлое и вспомнить прошедшие события. Такую функцию History ввела в осциллографы
Рис. 23. Работа с режимом History
корпорация LeCroy. Она вводится нажатием одноименной кнопки на панели управления осциллографом (рис. 23).
В режиме History осциллограф заполняет все свободные сегменты данными осциллограмм и с помощью проигрывателя в панели установок режима (рис. 23, внизу) разрешает вручную или автоматически просмотреть все записанные осциллограммы. В зависимости от установленной памяти и числа отсчетов в одной осциллограмме число сохраненных осциллограмм составляет от 1 до 256 000.
Заключение
Осциллографы высокой точности (четкости) HDO4000/6000 корпорации Teledyne LeCroy, Inc. безусловно являются элитными изделиями с богатыми, а иногда и уникальными возможностями для путешествия по просторам времени электрических сигналов — как простей-
шей, так и сложнейшей и специальной формы. Некоторые функции этих приборов — единственные в своем роде и не встречаются в приборах конкурирующих фирм, известных и популярных во всем мире. Это такие функции, как WaveScan, TriggerScan, History и другие. Они значительно повышают возможности при поиске не только особенностей и аномалий, но и редких и коротких сигналов. ■
Литература
1. Корнеев С. Осциллографы высокого разрешения HDO4000 и HDO6000 // Компоненты и технологии. 2012. № 11.
2. Дьяконов В. Как потратить миллион рублей на покупку цифрового осциллографа и что из этого выйдет? // Компоненты и технологии. 2013. № 12.
3. Дьяконов В. П. Сверхскоростная электроника. Том 1 и 2. М.: ДМК-Пресс, 2013.
