CC BY
48e
Компоненты и технологии, № 4'2004
Цифровые осциллографы LeCroy серии WaveSurfer
с полосой пропускания 200-500 МГц
Представляем новую серию цифровых запоминающих осциллографов (ЦЗО)
LeCroy WaveSurfer с полосой пропускания от 200 до 500 МГц, частотой дискретизации 1 Гвыб/с на канал и объемом памяти 250 кбайт на канал.
Александр Дедюхин
prist@prist.com
ЬеСгоу Мауе8шйег действительно включает в себя все достижения современных осцилло-графических и компьютерных технологий и полностью приспособлен для реализации потребностей визуального исследования формы сигнала. Особенностями ЬеСгоу МауеЗш^ег являются:
1. Применение патентованной технологии Х^геаш для захвата и обработки входного сигнала, дающей возможность в 100 раз увеличить скорость обработки захваченного сигнала и тем самым сокращающей время простоя ЦЗО (это, как известно, главный недостаток всех ЦЗО).
2. Впервые для осциллографов такого типа применена технология «открытой платформы» — управление осциллографом построено на основе полноценного персонального компьютера на базе процессора 1п1е1 Репйшш 4 с тактовой частотой 2,4 ГГц под управлением операционной среды Windows ХР.
3. Уникальные решения эргономики осциллографа, наличие в базовой комплектации всех распространенных на сегодняшний день интерфейсов для подключения внешних устройств, включая 10/100 Мбит/с ЕШегпеЬ
Первое, что обращает на себя внимание, — это размер экрана; поскольку осциллограф является визуальным прибором, то отображению информации о входном сигнале придается немаловажное значение. Осциллографы ЬеСгоу Мауе8шйег обладают уникально большим цветным ЖК-дисплеем 10,4" (26x26 см) высокого разрешения с сенсорным управлением, ранее применявшимся только в осциллографах ценой выше $20 тыс. Такой размер дисплея позволяет четко отображать входные сигналы в 4-канальном режиме с цветовым разделением каждого канала и, кроме того, выводить 4 дополнительных режима отображения входного сигнала, например, результат математических действий, спектр входного сигнала или увеличение выделенного участка сигнала. Экран можно разделить на 8 полезных областей, каждая из которых будет отображать не только входной сигнал, но и результаты математических действий, гистограммы и графики. Так, на рис. 2 приведено отображение только 4 входных сигналов, а на рис. 3 — результаты вспомогательной обработки.
Площадь же, которую осциллограф занимает на рабочем столе, составляет всего 260x150 мм. Если и эта площадь основания велика для размещения на рабочем столе, осциллограф возможно установить на поворотной стойке, выбрать необходимое расположение по высоте, положению, наклону или вообще убрать его за пределы рабочего стола.
Как ЦЗО осциллографы серии ЬеСгоу Мауе8шйег также дают пользователю уникальные возможности.
Рис. 1. Осциллограф WaveSurfer-454
e
Компоненты и технологии, № 4'2004
Рис. 4 Сигнал потерян
1
* Процесс обработки —►
I
потерян .
Г\1
Рис. 5 \*----- отображен
|ч— отображен—*|
ЦЗО при всех их положительных качествах иногда все-таки уступают аналоговым осциллографам — это большое время простоя (или обратного хода луча) при обработке входного сигнала, что приводит к неизбежной потере информации о входном сигнале (рис. 4 и 5).
Борьба с этим недостатком ведется двумя путями: наращиванием внутренней памяти, в которую в момент захвата записывается информация о входном сигнале, и увеличением скорости обработки захваченного сигнала. Увеличение длины внутренней памяти позволяет захватить по временной оси больший «кусок» сигнала и в дальнейшем производить его обработку (рис. 6). Но увеличение длины памяти при неизменной частоте дискретизации увеличивает время между обновлениями экрана (периодичностью смены изображения на дисплее). Время записи входного сигнала в память, длина памяти и частота дискретизации связаны формулой:
длина памяти
время развертки = .-------- (2)
FdducKp х 10
где Ьдискр — частота дискретизации.
Из данной формулы следует, что при необходимости увеличения частоты обновления экрана, если осциллограф позволяет изменять длину внутренней памяти или частоту дискретизации, эту частоту обновления экрана возможно реализовать путем сокращения длины памяти. Осциллографы серии LeCroy WaveSurfer имеют такую возможность. Достигая разумного компромисса при конкретных измерениях, пользователь сам принимает решение об использовании необходимой длины памяти и частоты обновления экрана. Стандартная длина внутренней памяти осциллографов LeCroy WaveSurfer составляет 250 кбайт на канал в штатной комплектации (для справки: у аналогичных моделей других производителей это всего 10 кбайт), при объединении двух каналов длина памяти увеличивается до 500 кбайт на канал, а при использовании дополнительной опции длина на памяти расширяется до 1 Мбайт на канал (или 2 Мбайт на канал при объединении двух каналов). Таким объемом памяти не располагает ни одна из аналогичных моделей ЦЗО. Для наглядной демонстрации режима длинной памяти в режиме внутренней памяти 500 кбайт подадим на вход осциллографа телевизионный сигнал и зафиксируем один кадр — его можно видеть по кадровым импульсам (рис. 7).
Остановим процесс сбора информации и растянем входной сигнал, на рис. 8 уже вид---------------------www.finestreet.ru-
Применение длинной памяти 250 К
Рис. 6
сигнал отображен достоверно
на телевизионная строка. При дальнейшей растяжке возможно выделить сигнал цветовой синхронизации и в автоматическом режиме произвести измерение его частоты (рис. 9)! При необходимости захвата большего числа кадров или увеличения достоверно-
сти отображения сигнала при растяжке возможно увеличить память до 2 Мбайт.
Отдельно необходимо остановиться на частоте дискретизации входного сигнала — одном из важнейших параметров ЦЗО. Максимальная частота дискретизации входного сигнала осциллографов LeCroy WaveSurfer для однократного сигнала составляет 1 Гвыб/с на канал, а при объединении двух каналов — 2 Гвыб/с. Выражение «однократный сигнал» приведено не случайно, поскольку именно при высокочастотных однократных сигналах этот параметр особенно актуален для достоверного захвата и отображения входного сигнала, который появляется только один раз, и зачастую по этому параметру оценивают преимущества и техническое совершенство ЦЗО. На рис. 10 приведен пример отображения сходного сигнала при частоте дискретизации 1 Гвыб/с, а на рис. 11 — 2 Гвыб/с; для на-
Рис. 3. Изображение 4 входных сигналов и результаты их обработки
Рис. И
e
Компоненты и технологии, № 4'2004
глядности на осциллографе включена линейная интерполяция, соединяющая соседние точки, полученные в результате дискретизации, прямой линией. Преимущества более высокой частоты дискретизации очевидны.
Для периодического сигнала частота дискретизации для однократного сигнала не так актуальна, поскольку сигнал присутствует на входе достаточно длительное время и осциллограф располагает значительным временным ресурсом для его обработки. В этом случае осциллографы ЬеСгоу МауеЗигіег позволяют выбрать режим эквивалентной дискретизации, при котором воспроизведение формы входного сигнала осуществляется не за один проход линии развертки, а за несколько десятков. При этом эквивалентная частота дискретизации равна 50 Гвыб/с и ее преимущества наглядно проиллюстрированы на рис. 12.
Наличие линейной и синусоидальной интерполяции позволяет максимально приблизить форму сигнала к исходной при частотах сигнала, близких к частотам дискретизации, где неизбежно возникают искажения при восстановлении формы входного сигнала.
Увеличение скорости обработки входного сигнала из внутренней памяти или уменьшение времени простоя реализованы в серии ЬеСгоу МауеЗигіе с помощью патентованной технологии Х^геаш. Суть этого метода состоит в том, что входной сигнал, поступая на АЦП, преобразуется в цифровые данные, которые записываются в высокоскоростную внутреннюю КМОП-память (о ней уже упоминалось выше); двумя гигабитными потоками, используя пакетную передачу и протокол ЕЛегпе^ данные передаются во внутреннюю память центрального процессора, где по алгоритму ЬесИоу осуществляется их обработка, после чего они выводятся на дисплей. Реализация этого способа позволяет в 100 раз быстрее обрабатывать данные из внутренней памяти осциллографа, чем это делают другие модели ЦЗО, и тем самым в 100 раз сократить время простоя ЦЗО. В результате число захваченных за единицу времени осциллограмм возрастает в такое же количество раз!
Существенный недостаток ЦЗО — редкие и однократные события при циклическом запуске развертки не могут быть сохранены и измерены, поскольку перезаписываются следующим за ним сигналом и стираются. Часть аналоговых осциллографов может фиксировать эти процессы, используя боль-
шое послесвечение ЭЛТ. По пути расширения возможностей ЦЗО с применением имитации послесвечения и пошли разработчики Мауе8шйег. Теперь, при включенном послесвечении, каждый проход развертки не стирается из памяти ЦЗО, а присутствует на экране с установленным временем послесвечения или не стирается вообще, причем возможности открытой платформы позволяют расширить функцию послесвечения из простого монохромного до цветного, где «горячим» красным цветом будут выделяться наиболее часто повторяющиеся участки, а по мере «остывания» цвета (до фиолетового) — редко повторяющиеся участки. Все эти возможности доступны в штатном режиме, что в ЦЗО других производителей невозможно вообще или возможно только за дополнительную плату! Так, на рис. 13 изображен пример синусоидального амплитудно-моду-лированного сигнала, модулирующим сигналом является меандр, глубина модуляции составляет 10%; на рис. 14 изображен импульсный сигнал, в котором хаотически изменяются амплитуда и длительность импульса. Аналоговое послесвечение обычно используют в самых широких областях, таких, как оперативный просмотр изменения сигнала, создание Х-У графиков, измерение джиттера и потока последовательных данных и т. д.
Вообще режимам управления запуском развертки в осциллографах ЬеСгоу МауеЗшйег уделено очень много внимания. Помимо классического запуска нарастающим и спадающим фронтом, а также ставшего уже традиционным выделения строк из полного телевизионного сигнала, осциллографы ЬеСгоу Мауе8шг1ег имеют следующие режимы запуска:
1. По длительности импульса. При этом запуске задается длительность положительного или отрицательного импульса и его
Рис. 13
девиация, или же возможно задание нижнего и верхнего предела границ длительности импульса. Запуск развертки в этом случае будет происходить по условиям — «в пределах», «вне пределов», «больше» или «меньше». Использование этого вида синхронизации позволяет фиксировать случайные изменения сигнала, не входящие в установленные допуски. Так, пример на рис. 14 отображает последовательность прямоугольных импульсов, в которой присутствуют случайные искажения. Рис. 14 отображает осциллограмму в режиме синхронизации по фронту и искажения в сигнале не видны. Рис. 15-22 отображают осциллограммы в режиме синхронизации по длительности импульса при выходе за пределы установленных значений.
2. По длительности импульса сбоя (прозванного в народе «глюком», от английского glitch — «сбой»). При этом запуске задается длительность положительного или отрицательного импульса сбоя и его девиация (возможно задание нижнего и верхнего предела границ длительности сбоя) или задаются амплитудные пределы окна. Запуск развертки в этом случае будет происходить по условиям длительности сбоя —
Рис. 15
Рис. 16
Рис. 17
е
Компоненты и технологии, № 4'2004
«в пределах», «вне пределов» или при выходе сбоя за пределы установленных значений амплитуд (окна). Этот вида запуска также позволяет фиксировать аномалии входного сигнала.
3. По логическому состоянию. В этом режиме запуска все входы осциллографа (включая вход внешней синхронизации) становятся логическими. Каждому входу задается уровень логической единицы и логического нуля, причем эти уровни могут быть различными для разных входов; задается одна из логических функций (И; И-НЕ; ИЛИ; ИЛИ-НЕ), и при совпадении уровней входных сигналов с заданным логическим состоянием произойдет запуск развертки. Причем на вход осциллографа не обязательно должны поступать цифровые сигналы, могут быть и аналоговые сигналы, а уровни логического нуля и единицы определяют пороговые значения. Эти виды синхронизации доступны в штатном режиме, при использовании опции расширения возможностей синхронизации появляются следующие дополнительные виды синхронизации:
1. Рантовая синхронизация — запуск развертки происходит в том случае, если входной сигнал пересекает заданный по уровню порог, не пересекает заданный второй порог и снова пересекает первый порог.
2. Синхронизация по скорости нарастания сигнала — в этом случае задается время нарастания сигнала и условия «больше» или «меньше». Запуск развертки произойдет при обнаружении сигнала с заданными параметрами нарастания сигнала.
3. По образцу — запуск развертки будет осуществлен при обнаружении сигнала, соответствующего заданному образцу.
4. Спящая — синхронизация прекращается, если обнаружено, что сигнал прекратился на время, большее установленного.
5. По качеству — запуск развертки будет осуществлен при обнаружении сигнала, отличного от заданного образца.
Очевидно, что наличие разнообразных
функций запуска развертки существенно повышает функциональные возможности осциллографа.
Еще одно отличие ЦЗО от аналогового осциллографа — возможность автоматических измерений различных параметров входного сигнала. Одновременно на дисплее осциллографа может быть отображено до шести измеряемых параметров от различных источников (каналов). Осциллограф позволяет производить измерения:
1. амплитуды сигнала;
2. площади (определяется как произведение значения по горизонтальной оси Х на значение по вертикальной оси У и имеет размерность Вольт?время);
3. нижнего значения уровня сигнала;
4. верхнего значения уровня сигнала;
5. задержки между двумя фронтами;
6. времени нарастания на уровне 90-10%;
7. времени нарастания на уровне 80-20%;
8. времени спада на уровне 90-10%;
9. времени спада на уровне 80-20%;
10. частоты сигнала;
11. периода сигнала;
12. скважности сигнала;
13. асимметрии сигнала;
14. длительности сигнала на уровне 50%;
15. максимального значения уровня сигнала;
16. минимального значения уровня сигнала;
17. среднего значения уровня сигнала;
18. положительного выброса;
19. отрицательного выброса;
20. пикового значения уровня сигнала;
21. среднеквадратичного значения уровня;
22. стандартного отклонения.
Как видно, набор измеряемых параметров включает все часто использующиеся измерения. Но изюминка новых моделей серии ЬеСгоу Мауе8шйег состоит в том, что на экран могут выводиться не просто численные значения измеренных параметров, а их статистические данные, такие, как текущее значение, среднее значение, минимальное значение, максимальное значение, отклонение от среднего значения и количество измерений выбранного параметра (рис. 23).
Месівіїге
уаіие
теап
тіп
тах
вйеу
пит
зїаїиз
Ыэйэ
Рис. 23
Р1 :Ггеч(С2) 2.024701 МНг 1.98289034 МНг 1.826306 МНг 2.124495 МНг 68.53848 кНг 441 728Є+3 ✓
Но и это не все. На основании полученных статистических данных возможно построение гистограммы измеряемого параметра. Причем размер гистограммы может быть небольшим и носить информационный характер, как изображено на рис. 23, или же его можно представить таким же размером, как осциллограммы входного сигнала. Накопление статистики для построения гистограммы происходит за определенное число измерений, которое может быть установлено в пределах от 20 до 1000, после этого происходит обновление значений гистограммы. Так, на рис. 24 приведена осциллограмма частотно модулированного сигнала и производится измерение его частоты. Очевидно, что гистограмма измерения частоты совпадает с картинкой спектра частотно-модулированного сигнала.
Рис. 19
Рис. 20
Рис. 22
e
Компоненты и технологии, № 4'2004
Таблица. Технические характеристики осциллографов LeCroy WaveSurfer
Следующее, на что хочется обратить внимание, — это возможность математических действий с входными сигналами. К стандартным математическим функциям относятся:
1. суммирование сигналов;
2. разность сигналов;
3. продукт;
4. отношение сигналов;
5. быстрое преобразование Фурье (БПФ) с использованием прямоугольного, плоского окон или окна ВонХанна.
Всего возможно использование только одной математической функции в выбранный момент времени. При инсталляции пакета расширенных математических функций (опция MathSurfer) добавляются следующие функции:
1. абсолютное значение;
2. усреднение;
3. производная;
4. огибающая;
5. повышение разрешения по амплитуде до 11 бит;
6. минимальный уровень;
7. интеграл;
8. инвертирование;
9. обратная величина;
10. максимальный уровень;
11. квадрат;
12. корень квадратный.
Также добавляется возможность использования одновременно двух математических функций и пересчет в другие единицы.
Также при использовании дополнительного программного обеспечения, предназначенного для создания шаблонов электрических сигналов, цифровой осциллограф LeCroy WaveSurfer превращается в ценное средство анализа сигналов в системах передачи данных или при использовании на производстве для допускного контроля (пример шаблона приведен на рис. 25). Эксклюзивные функции анализа позволяют выделять и локализовать по заданным образцам импульсные сигналы даже из непрерывного потока данных. «Просеивание» сигналов через заданные шаблоны функционирует полностью автоматически, сохраняя ценное рабочее время оператора.
В комплект программного обеспечения входят все необходимые кабели и разъемы для подключения входных сигналов к осциллографу без искажения их формы. Осциллограф способен тестировать следующие стандарты передачи данных: E1 (2 Мбит/с); E2 (8 Мбит/с); E3 (34 Мбит/с); E4 (140 Мбит/с «0» и «1»); STM-1e (156 Мбит/с «0» и «1») и ANSI T1.102.
Основные характеристики
Тип осциллографа 424 422 434 432 454 452
Полоса пропускания, МГц 200 350 500
Время нарастания 2 нс 1,15 нс 800 пс
Количество каналов 4 2 4 2 4 1 2
Частота дискретизации, Гвыб/с 1 — при однократном запуске; 2 — при объединении каналов
Эквивалентная частота дискретизации, Гвыб/с 50
Стандартная длина памяти 250 кбайт (500 кбайт при объединении каналов)
Максимальная длина памяти (при использовании опции) 1 Мбайт (2 Мбайт при объединении каналов)
Стандартное время захвата сигнала 250 мкс при максимальной частоте дискретизации
Максимальное время захвата сигнала (при использовании опции расширении памяти) 1 мс при максимальной частоте дискретизации
Вертикальное разрешение АЦП 8 бит
Коэффициент отклонения 1 мВ/дел - 10 В/дел (1 МОм) 1 мВ/дел - 2 В/дел (50 Ом)
Погрешность измерения напряжения ±(0,015xU + 0,005хК) U — измеренное значение напряжения, В; К — величина, численно равная установленному значению коэффициента отклонения, В
Ограничение полосы пропускания, МГц 20, 200
Максимальное входное напряжение 400 В пикового значения
Связь входа постоянная, переменная, заземлено
Входное сопротивление 1 МОм (16 пФ)
50 Ом ±1%
Тип делителей разъем BNC или ProBus®
Делитель (стандартный) PP007 (500 МГц) на каждый канал
Коэффициент отклонения 1 нс/дел - 1000 с/дел
в режиме самописца от 500 мс/дел до 1000 с/дел
Погрешность измерения временных интервалов 10 ppm
Дополнительные характеристики
Режимы запуска автоматический, ждущий, однократный
Источник синхронизации один из каналов, внешняя, внешняя 1:10, от сети
Фильтры синхронизации постоянная составляющая, переменная составляющая, ВЧ, ВЧ режекторный, НЧ режекторный
Предзапуск 0-100% от полной шкалы
Послезапуск 0-10000 делений
Удержание от 2 до 20 с или от 1 до 99 999 999 событий
Диапазон внутренней синхронизации ±5 делений от центра
Диапазон внешней синхронизации ВНЕШ/10 ±5 В, ВНЕШ ±500 мВ
Входное сопротивление 1 МОм или 50 Ом
Виды синхронизации Фронтом по выбранной полярности фронта (положительной, отрицательной или окном) с установленным уровнем. Синхронизация сбоем — положительным или отрицательным сбоем с установкой интервала сбоя в пределах от 2 нс до 20с или по прерывистому сбою, включая режимы запуска по прерывистому сбою по заданной длительности импульса.
Дополнительные виды синхронизации (опции) Рантовая синхронизация. Синхронизация по скорости нарастания напряжения. По интервалу (сигнал или образец). Спящая. По качеству (состояние или фронт).
Автоматические измерения Одновременно может быть отображено до 6 измеряемых параметров различных осциллограмм: амплитуда, область, нижнее значение, задержка, скважность, время спада (90-10%), время спада (80-20%), частота, максимум, минимум, среднее значение, положительный выброс, отрицательный выброс, период, пиковое значение, время нарастания (90-10%), время нарастания (80-20%), среднеквадратичное значение, асимметрия, стандартное отклонение, верхнее значение, длительность.
Растяжка Растяжка сигнала с использованием органов управления передней панели, мыши или сенсорного экрана для выделения увеличиваемой области.
Стандартные математические функции Суммирование, разность, произведение, отношение и БПФ (использование прямоугольного, плоского окон или окна ВонХанна). Всего возможно использование одной математической функции одновременно.
Расширенные математические функции (опция Ма^$и^ег) Добавляет следующие математические функции: абсолютное значение, усреднение (суммированное и продолжительное), производная, огибающая, повышение разрешения (до 11 бит), минимальный уровень, интеграл, инвертирование, обратная величина, максимальный уровень, квадрат и корень квадратный. Также добавляется возможность использования одновременно двух математических функций и пересчет в другие единицы.
Рабочие условия Температура: от +5 до +40 °С Влажность: от 5 до 80% при температуре 30 °С без образования конденсата
Размеры, мм 260x340x152
Вес, кг 6,8 (включая аксессуары)
Гарантия 3 года. 7 лет — техническая поддержка программного обеспечения
e
Компоненты и технологии, № 4'2004
Очень часто возникает необходимость эффективной организации процесса пересылки информации об исследуемом сигнале для сокращения времени поиска неисправностей и улучшения качества инженерных разработок. При работе с осциллографами серии LeCroy WaveSurfer имеется возможность:
• Отправить файлы изображений осциллограмм по электронной почте непосредственно с осциллографа.
• Добавить аннотацию к осциллограммам непосредственно на приборе.
• Сохранить осциллограммы и массив данных на внутренний жесткий диск при каждом запуске развертки или по команде в следующих форматах: двоичном, ASCII, MatCad, MatLab, Excel. Причем в отличие от других ЦЗО, способных «скидывать» на внешние устройства информацию только из экранной памяти прибора (250 точек по оси X), осциллографы LeCroy WaveSurfer производят запись из внутренней памяти прибора, а это, как уже указывалось, может достигать 2 000 000 точек! И именно эта информация является наиболее ценной при сборе информации осциллографом.
• Сохранить осциллограммы и массив данных на одно из трех внешних высокоскоростных USB-устройства, например, пишущий CD-ROM или USB Memory Stick. Запись на внутренний диск или внешние устройства может производиться до заполнения носителя или «по кругу», когда при переполнении носителя новая информация будет записываться на место самой старой.
• Создать архив «образцовых» форм сигнала для использования их в качестве сравнительного шаблона.
• Подключить и печатать на любом принтере.
• Дистанционно управлять или просматривать данные с удаленного компьютера при использовании соответствующего программного обеспечения.
Осциллографы серии LeCroy WaveSurfer в стандартной комплектации имеют возможность быстрого и легкого подключения к локальной компьютерной сети. При подключении к сети осциллограф WaveSurfer в большинстве случаев обеспечивает автоматическую адресацию, что позволяет еще более упростить сетевое подключение. В случае необходимости создания своих собственных сетевых настроек можно воспользоваться стандартными инструментами Windows. С помощью стандартных приложений Windows NetMeeting, VNC, PCAnywhere или других аналогичных программ для дистанционного управления осциллографом, представляется совместный доступ к прибору и разделение полномочий пользования экраном в реальном масштабе времени с другим пользователем, расположенным в любой точке мира. Новый пользователь может в режиме ДУ получить доступ к меню подсказок, если он не имеет инструкции на данный прибор.
Пользователь может в режиме ДУ получить доступ ко всем режимам осциллографа.
В дополнение ко всему в стандартной комплектации осциллографы серии LeCroy WaveSurfer имеют один порт USB 2.0 на передней панели, два порта USB 2.0 на боковой панели, 9-штырьковый последовательный порт RS-232, 25-штырьковый параллельный порт Centronics, выход для подключения внешнего монитора SVGA. И только интерфейс IEEE 488 GPIB является опциональным.
Отдельного внимания заслуживает управление осциллографом. Возможны три способа управления:
1. Классический — органами управления на передней панели.
2. С помощью мыши, выбирая режимы и установки значений на экране ЦЗО.
3. Сенсорный — прикосновением к экрану с использованием тех же возможностей, что и при использовании мыши, причем сенсорный экран также входит в штатную комплектацию.
Технические характеристики осциллографов LeCroy WaveSurfer
приведены в таблице.
