Углубленный анализ сигналов осциллографами высокой четкости R&S RTO

PDF версия
Основное назначение осциллографов — максимально достоверно и четко исследовать сигналы. Новейшие цифровые осциллографы высокой четкости фирмы Rohde & Schwarz серии RTO созданы для этого и имеют ряд новых, в том числе оригинальных, функций и возможностей для углубленного исследования и анализа различных сигналов. В статье приведены примеры практической работы 4 канальной 1 ГГц модели осциллографа R&S RTO с другими устройствами — генераторами сигналов различного типа и платами для тестирования осциллографов.

Подключение к осциллографу объекта тестирования

На рис. 1 показано типовое подключение к новейшему цифровому осциллографу с высокой четкостью R&S RTO объекта исследования c питанием от порта последовательной шины USB 2.0 прибора. Такое включение наиболее удобно, поскольку не требует применения дополнительных источников электропитания. Возможно использование стандартных пассивных пробников осциллографов, но при исследовании высокочастотных и широкополосных сигналов от интегральных микросхем предпочтительны активные пробники с малой входной емкостью. Для полноценной и максимально удобной работы следует подключить к осциллографу компьютерную мышь и клавиатуру, а если нужно, то и принтер. Для этого осциллограф оснащен четырьмя USB-портами (по паре на передней и задней панелях).

Подключение к осциллографу R&S RTO тестируемого устройства

Рис. 1. Подключение к осциллографу R&S RTO тестируемого устройства

Основы работы с осциллографами R&S RTO компании Rohde & Schwarz, как и другими приборами подобного типа, представлены в книге [1] и статье [2]. Поэтому, не повторяя описания, отметим лишь основные особенности углубленной работы с осциллографами R&S RTO. Некоторые из них не нашли отражения в фирменных руководствах по эксплуатации осциллографов [3, 4] и дополняют описание обширных возможностей этих приборов.

Хотя устройства имеют новейшее сенсорное управление, оно возможно и с панели управления (рис. 2). Сама панель проста и интуитивно понятна, поскольку состоит из отдельных функциональных областей (блоков), и полностью соответствует современным концепциям построения пользовательского интерфейса осциллографов.

Передняя панель с функциональными областями

Рис. 2. Передняя панель с функциональными областями

 

Выбор осциллографических пробников

Для исследования и тестирования различных устройств приходится применять различные пробники, например стандартные пассивные пробники с емкостной компенсацией. Они поставляются по одному на каждый аналоговый канал. Используются и активные пробники (дифференциальные и с малой входной емкостью), токовые пробники-клещи для измерения токов без разрыва цепи и другие. Фирма Rohde & Schwarz поставляет различные пробники для осциллографов R&S RTO (рис. 3).

Типовые пробники для осциллографа

Рис. 3. Типовые пробники для осциллографа

Фирменные пробники распознаются автоматически и их параметры учитываются при измерениях. Параметры активных и токовых пробников представлены в таблицах 1 и 2. Все пробники заказываются и приобретаются отдельно.

Таблица 1. Параметры пассивных, активных и дифференциальных пробников

Датчик

Диапазон

Коэффициент деления

Входной импеданс

Входная емкость

Динамический диапазон

Примечание

Пассивные пробники

R&S RT-ZP10

500 МГц

10:1

10 МОм

~10 пФ

400 В (СКЗ)

 

R&S RT-ZH10

400 МГц

100:1

50 МОм

7,5 пФ

1 кВ (СКЗ)

 

R&S RT-ZH11

400 МГц

1000:1

 

 

 

 

R&S RT-ZZ80

8 ГГц

10:1

500 Ом

0,3 пФ

20 В (СКЗ)

 

Активные пробники

R&S RT-ZS10E

1 ГГц

10:1

1 МОм

0,8 пФ

±8 В

 

R&S RT-ZS10

1 ГГц

 

 

 

 

R&S ProbeMeter
и микрокнопка для управления

R&S RT-ZS20

1,5 ГГц

 

 

 

 

R&S RT-ZS30

3 ГГц

 

 

 

 

R&S RT-ZS60

6  ГГц

 

 

0,3 пФ

 

Дифференциальные пробники

R&S RT-ZD01

100 МГц

1000:1/1000:1

8 МОм

3,5 пФ

+140 В/±1400 В

 

R&S RT-ZD20

1,5 ГГц

10:1

1 МОм

0,6 пФ

+5 В

R&S ProbeMeter
и микрокнопка для управления

R&S RT-ZD30

3 ГГц

 

 

 

 

R&S RT-ZD40

4,5 ГГц

 

 

0,4 пФ

 

Таблица 2. Параметры токовых пробников

Датчик

Диапазон

Максимальный ток
(СКЗ/пик. значение)

Время нарастания

Погрешность чувствительности

Максимальное напряжение цепи

Примечание

Токовые пробники

R&S RT-ZC10

10 МГц

150/±300 А

35 нс

±1% до 150 А (СКЗ)

600 (КАТ. II)/300 В (КАТ. III)

Необходим внешний
источник питания, например R&S RT-ZА13

R&S RT-ZC20

100 МГц

30/±50 А

3,5 нс

±1% до 30 А (СКЗ)

300 В (КАТ. I)

В последнее время разработчики осциллографов уделяют большое внимание получению осциллограмм, отражающих исследуемые процессы с максимальной верностью и точностью отображения их временных и частотных диаграмм. Это возможно только в случае, когда пробник не нагружает исследуемую цепь и сам не вносит заметные искажения. Таким условиям в наибольшей степени соответствуют современные широкополосные активные пробники с высоким входным сопротивлением (обычно 1 МОм) и очень малой входной емкостью (менее 1 пФ).

Широкополосные осциллографы с подобными пробниками дают поразительно высокую верность воспроизведения импульсов с малыми фронтами и позволяют использовать для подключения достаточно длинные (несколько сантиметров) провода (рис. 4), при этом не возникает риска наблюдать «звон», вызванный паразитными индуктивностями. В результате отпадает необходимость обеспечения точного согласования со стандартными кабелями с волновым сопротивлением 50 Ом (хотя на уровне решения многих задач согласование с волновым сопротивлением является по-прежнему актуальным и необходимым).

Подключение активного малоемкостного пробника к печатной плате

Рис. 4. Подключение активного малоемкостного пробника к печатной плате

 

Особенности начала работы

После включения и прогрева прибора на его экране появляется виртуальная панель с примерами работы осциллографа в виде коротких видеороликов (рис. 5). Каждый из них занимает несколько минут и позволяет наглядно ознакомиться с правилами работы осциллографа в различных режимах. Запускаются видеоролики кнопкой с изображением треугольника.

Экран осциллографа после включения и примеры работы

Рис. 5. Экран осциллографа после включения и примеры работы

Разумеется, эту панель можно закрыть, нажав пальцем (или кликнув мышкой) на красной кнопке в правом верхнем углу панели со знаком наклонного крестика. Затем можно приступить к практической работе с прибором. Обычно она начинается с нажатия кнопки Autoset (в левом верхнем углу полной передней панели), которая автоматически устанавливает рабочий режим осциллографа с видимой на экране осциллограммой. Многие возможности прибора нетрудно изучить, просматривая прямоугольный сигнал с частотой 1 кГц и амплитудой 2,5 В от встроенного в осциллограф калибратора стандартных пробников (рис. 6). Он позволяет провести и обычную компенсацию поставляемых с прибором пассивных пробников.

Экран с осциллограммой прямоугольного импульса для настройки компенсации пассивных пробников

Рис. 6. Экран с осциллограммой прямоугольного импульса для настройки компенсации пассивных пробников

После получения осциллограммы применяются обычные средства ее изменения: устанавливается уточненный масштаб по вертикали и смещение — в блоке Vertical (рис. 2), масштаб и смещение по горизонтали — в блоке Horizontal (рис. 2), вид развертки (автоколебательная, ждущая или остановка с выдачей стоп-кадра) — в блоке TRIGGER (рис. 2) и т. д.

Характерной особенностью осциллографов R&S RTO является возможность создания для каждого аналогового канала до трех осциллограмм с различными вариантами основной осциллограммы (Win1, Win2 и Win3) — рис. 7. Например, можно задать различное число усреднений (панель ввода Average Count показана в нижней части экрана) и некоторые другие функции. Однако при просмотре осциллограмм обычно удобнее управлять каждой из них отдельно в своем окне, поэтому по умолчанию данная функция отключена.

Установка трех окон для одного канала и усреднения осциллограмм

Рис. 7. Установка трех окон для одного канала и усреднения осциллограмм

Обычно запуск осуществляется по фронтальному перепаду сигнала (нарастающему, спадающему или по обоим перепадам) с помощью фирменной системы цифрового запуска с применением увеличенного за счет интерполяции (функцией sin(x)/x, линейной или ступенчатой) числа отсчетов. Такой режим запуска наиболее удобен. Однако есть возможность запуска по самым различным критериям с помощью виртуальной панели (рис. 8). На ней можно установить канал, с которого выполняется запуск, и тип запуска.

Установка запуска с выбором типа запуска

Рис. 8. Установка запуска с выбором типа запуска

 

Спектральный анализ в частотной области

После получения на экране устойчивой осциллограммы можно сразу приступить к ее цифровой обработке — например, к применению математических функций или получению результатов автоматических измерений. Эти режимы включаются пиктограммами 11 и 12 виртуального графического меню (рис. 6). Пиктограмма 8 задает режим курсорных измерений.

Многие годы осциллограф считался устройством, предназначенным для наблюдения и анализа сигналов во временной области. Между тем в радиотехнике (особенно в области генерации и приема амплитудно-модулированных сигналов) преобладал принципиально иной подход анализа сигналов в частотной области. Были созданы и параллельно развивались анализаторы спектра сигналов. С появлением цифровых осциллографов в них были введены элементы спектрального анализа сигналов на основе прямого быстрого преобразования Фурье (БПФ, или FFT — Fast Fourier Transform). Довольно продвинутая функция БПФ входит в состав математических функций обработки сигналов осциллографов R&S RTO. По существу, она превращает осциллограф во вполне полноценный и удобный анализатор спектра.

Для получения спектра сигнала заданной осциллограммы достаточно коснуться пальцем (или курсором мыши) пиктограммы 13 (рис. 6) с изображением спектра и, не отрывая палец, перевести его на нужную осциллограмму. Теперь, убрав палец с осциллограммы (или с левой клавиши мыши), можно открыть окно спектрального анализа (рис. 9). Вся процедура занимает считанные секунды. На рис. 9 вверху показано окно с осциллограммой прямоугольного сигнала калибратора, а под ним окно спектра с логарифмическим масштабом (по умолчанию). При этом вертикальная ось имеет масштаб в децибелах. Поверх этих окон выведена виртуальная панель анализа спектра с начальной установкой типичных для анализаторов спектра параметров, например центральной частоты и диапазона частот Span либо начальной и конечной частот спектра. Возможна автоматическая или ручная установка полосы частот разрешения и режима отображения спектра — обычного или усредненного (параметр Average) с выбором типа окна спектрального анализа. Начальная установка связана с установкой масштаба по горизонтали и автоматически может его изменять.

Начальная установка спектра прямоугольных импульсов калибратора и их спектр в логарифмическом масштабе

Рис. 9. Начальная установка спектра прямоугольных импульсов калибратора и их спектр в логарифмическом масштабе

На вкладке расширенного спектрального анализа (рис. 10) можно выбрать масштаб представления спектра — логарифмический (в различных видах децибел) или линейный (Linear). В линейном масштабе спектры выглядят как в учебниках по спектральному анализу, на них практически не видны шумы, но динамический диапазон мал. В логарифмическом масштабе динамический диапазон намного шире, и появляется заметная шумовая дорожка под спектром (сравните спектр на рис. 9 и 10).

Расширенная установка спектра прямоугольных импульсов калибратора и их спектр в линейном масштабе

Рис. 10. Расширенная установка спектра прямоугольных импульсов калибратора и их спектр в линейном масштабе

 

Функции истории, автоматических измерений и меню Windows

Часто, заметив промелькнувшую аномалию сигнала, пользователь не успевал на нее отреагировать и засечь нужную осциллограмму. В осциллографах R&S RTO такая ситуация невозможна благодаря оригинальной технологии создания архива осциллограмм. Он организован по аналогии замкнутой петли ячеек памяти осциллограмм. Их заполнение происходит автоматически, как только данные начинают поступать в память осциллограмм. Остановив работу осциллографа, пользователь может прокрутить «ленту» памяти и увидеть на экране раннюю осциллограмму с нужным событием. Это обеспечивают функция истории History и ее проигрыватель осциллограмм (пиктограммы 1 и 2 виртуальной панели управления на рис. 6). Действие функции иллюстрирует рис. 11. На нем показан дескриптор History с номером выбранной осциллограммы.

Экран с осциллограммой сигнала калибратора и примерами применения различных функций

Рис. 11. Экран с осциллограммой сигнала калибратора и примерами применения различных функций

Осциллографы R&S RTO имеют мощные средства компьютерной математики для оперативной обработки данных осциллограмм. Они реализованы аппаратно на базе самого прибора и программно на основе встроенного персонального компьютера с операционной системой Microsoft Windows 7, меню которой представлено внизу экрана, и на рис. 11 показана открытая позиция File этого меню. Заметим, что позиция меню обеспечивает выход из режима осциллографа в режим работы с операционной системой. При этом установленная на компьютере версия операционной системы позволяет выполнять любую работу, используя установленные приложения, в том числе систем компьютерной математики, например матричной системы MATLAB, наиболее удобной для решения широкого круга задач обработки сигналов [5].

Осциллографы R&S RTO имеют одни из самых широких в отрасли возможности автоматических цифровых измерений, в первую очередь предназначенные для аппаратной реализации самых распространенных измерений. Прежде далеко не простой выбор нужных вычислений приходилось делать пользователю. Эта возможность сохранилась у R&S RTO, но появилась и новая — почти сразу выводить полный или избранный список результатов автоматических измерений, допустимых в текущем режиме работы.

На рис. 11, к примеру, показана таблица результатов всех автоматических измерений, доступных для осциллограммы сигнала калибратора стандартных пробников. Обратите внимание, что время нарастания и спада сигнала калибратора стандартных пробников находится в пределах от 5 до 6 мкс, то есть для проверки переходной характеристики осциллографа этот калибратор совершенно неприспособлен (время нарастания осциллографа порядка 1 нс). Подробное описание всех видов автоматических измерений и математических функций есть в руководстве по эксплуатации осциллографа [3, 4].

В некоторых случаях полезно представление осциллограмм с цветной персистенцией (аналоговым послесвечением) — рис. 12. Необходимые средства предусмотрены в позиции Display меню Windows внизу экрана.

Примеры осциллограмм R&S RTO с цветной персистенцией

Рис. 12. Примеры осциллограмм R&S RTO с цветной персистенцией

 

Просмотр сигналов от широкополосных калибраторов

Для просмотра сигналов от широкополосных и СВЧ-пробников осциллографы R&S RTO имеют по умолчанию отключенные разъемы широкополосного сигнала (разъем на задней панели) и 1‑ГГц синусоидального сигнала (на передней панели рядом с выводами калибратора стандартных пробников). На рис. 13 показаны осциллограммы сигналов с этих разъемов при установке включенного состояния.

Осциллограмма с выхода калибратора активных пробников на задней панели осциллографа R&S RTO, таблицы результатов автоматических измерений и осциллограмма синусоидального сигнала (1 ГГц) с коаксиального разъема на передней панели

Рис. 13. Осциллограмма с выхода калибратора активных пробников на задней панели осциллографа R&S RTO, таблицы результатов автоматических измерений и осциллограмма синусоидального сигнала (1 ГГц) с коаксиального разъема на передней панели

На рис. 13 приведена также таблица результатов автоматических измерений для импульса широкополосного калибратора. Видно, что передний фронт импульса имеет время нарастания около 850 пс. Это очень хороший результат для встроенного калибратора. Выброс на вершине можно практически устранить, подключив коаксиальный соединительный кабель к входу выбранного аналогового канала через тройник с заглушкой 50 Ом. Однако при этом амплитуда импульсов уменьшается вдвое.

Полученное время нарастания примерно в 2,5 раза превышает расчетное в 400 пс для 1-ГГц осциллографа (0,5/полосу), использованного при подготовке настоящей статьи. Чем это вызвано: меньшей полосой осциллографа, конечной длительностью перепада импульса калибратора или влиянием пробника? Для ответа на поставленные вопросы нужно провести испытания с длительностью перепада по крайней мере втрое меньшей, чем время нарастания осциллографа, то есть около 400/3 пс, или около 120 пс. Однако современные генераторы с такой длительностью фронта очень дороги и редки.

И здесь надо отдать должное нашим советским ученым и инженерам, еще в далекие 1980‑е годы создавшим калибраторы с длительностью фронта менее 50 пс на германиевых туннельных диодах, предназначенные для испытания сверхширокополосных стробоскопических осциллографов с полосой до 20 ГГц. На рис. 14 показаны импульсы с измерительных головок такого генератора с разной полярностью импульсов и таблица результатов автоматических измерений для нижней осциллограммы. Как видно, получено время нарастания переходной характеристики в 351 пс, что чуть ниже заданного техническими условиями (и, кстати, расчетного) времени в 400 пс.

Осциллограммы импульсов калибратора переходных характеристик И1-10 с длительностью переднего фронта не более 50 пс

Рис. 14. Осциллограммы импульсов калибратора переходных характеристик И1-10 с длительностью переднего фронта не более 50 пс

На рис. 13 и 14 две осциллограммы от разных каналов размещаются в одном окне. Одну из них можно перетащить в новое окно. Для этого достаточно выделить нужную осциллограмму курсором мыши или пальцем и начать переносить ее. В результате появится панель размещения осциллограмм и создания нового окна (рис. 15). Укажите место расположения нового окна, в котором и появится осциллограмма, как только вы уберете курсор или палец. Аналогично можно выделять нужную область осциллограммы.

Панель размещения осциллограмм (диаграмм) по окну экрана

Рис. 15. Панель размещения осциллограмм (диаграмм) по окну экрана:
1 — плавающее окно результатов измерений;
2 — таблица на диаграмме слева или справа;
3 — таблица на диаграмме выше или ниже;
4 — новая вкладка

Инновационная цифровая система запуска осциллографов R&S RTO прекрасно приспособлена для наблюдения как длинных (обзорных) осциллограмм, так и коротких перепадов. Возможна быстрая остановка прибора для наблюдения четкой текущей осциллограммы. Кнопка пуска/останова есть и на головках активных пробников (на рис. 4 она выделена синим эллипсом).

 

Работа с функцией детального просмотра осциллограмм Zoom

Для совместного наблюдения длинных осциллограмм и их коротких фрагментов служит функция детального просмотра узкого участка обзорной осциллограммы Zoom. Она включается кнопкой ZOOM в блоке ANALISYS передней панели (рис. 2) или пиктограммой в виртуальном меню (рис. 6). При этом появляется виртуальная панель установки параметров, в том числе начального и конечного времени области детального обзора (рис. 16).

Виртуальная панель установки параметров области просмотра Zoom

Рис. 16. Виртуальная панель установки параметров области просмотра Zoom

На рис. 17 видна осциллограмма синусоидального сигнала с областью обзора длиной в один период. Она позволяет детально изучить общую форму сигнала и особенно в точке его перехода через ноль. Разумеется, это необходимо при тестировании и проверке целостности длинных сигналов.

Осциллограмма синусоидального сигнала с областью просмотра Zoom

Рис. 17. Осциллограмма синусоидального сигнала с областью просмотра Zoom

Увеличив чувствительность по вертикали и используя функцию Zoom, можно детально просмотреть область синусоидального сигнала в точке перехода через ноль и обнаружить отклонения от идеальности сигналов, вызванные его дискретизацией и влиянием шума — в частности, при выборе линейной и ступенчатой интерполяции (рис. 18).

Осциллограммы синусоидального сигнала (обзорная) и расширенной области просмотра

Рис. 18. Осциллограммы синусоидального сигнала (обзорная) и расширенной области просмотра

У сигналов треугольной формы интерес представляет область перехода от положительного наклона к отрицательному. У хорошего цифрового генератора сигналов произвольной формы (применялся генератор Tektronix AFG31-1) треугольный сигнал близок к идеальному, что и демонстрирует осциллограммы на рис. 19. Однако при сужении полосы вертикального канала до 20 МГц при частоте сигнала 1 МГц становится явно заметно плавное округление острой вершины треугольного сигнала. Кроме того, хорошо заметны шумы зашумленного сигнала и ступеньки при ступенчатой интерполяции.

Осциллограммы треугольного сигнала (обзорная) и расширенной области (Zoom)

Рис. 19. Осциллограммы треугольного сигнала (обзорная) и расширенной области (Zoom)

Нередко именно выявление аномалий сигналов правильной формы является целью исследования. Такие сигналы намеренно создаются не только специальными генераторами, но и платами, предназначенными для тестирования осциллографов (обычно с питанием от порта USB). Фирмы — разработчики и производители осциллографов поставляют такие платы массовым потребителям своей продукции. Приведем несколько примеров тестирования осциллографа с помощью платы DSK_Demo_Board_v2.1 фирмы RIGOL (плата рассчитана на тестирование осциллографов с полосой частот до 1 ГГц).

На рис. 20 показаны осциллограммы синусоидального сигнала с аномальным поведением амплитуды отдельных периодов.

Аномалии синусоидального сигнала

Рис. 20. Аномалии синусоидального сигнала

Часто аномалии возникают на вершине временных зависимостей сигналов (рис. 21). Следует отметить, что возможности сдвига осциллограмм по вертикали ограниченны, но в пределах доступного сдвига осциллограф не вносит своих искажений.

Синусоидальный и треугольный сигналы с аномалиями вершины

Рис. 21. Синусоидальный и треугольный сигналы с аномалиями вершины

Плата содержит высокочастотный генератор тактовых прямоугольных импульсов c частотой 50 МГц и временем нарастания менее 1 нс. Их осциллограмма, снятая с помощью активного малоемкостного пробника, показана на рис. 22. Сравните ее с осциллограммой импульсов стандартного калибратора с частотой 1 кГц (рис. 11). По виду они неотличимы, хотя их частоты и длительности фронтов различаются в десятки тысяч раз. Это выявляет лишь отличие масштабов осциллограмм по вертикали и данные таблиц результатов автоматических измерений.

Осциллограмма прямоугольного сигнала с частотой 50 МГц и таблицей его автоматических измерений

Рис. 22. Осциллограмма прямоугольного сигнала с частотой 50 МГц и таблицей его автоматических измерений

 

Система цифрового запуска и синхронизации

Особенностью осциллографов R&S RTO является запуск по уровню (ручка в блоке TRIGGER передней панели) с управляемым гистерезисом (рис. 23). Уровень запуска отображается горизонтальной линией уровня с полосой под ней, ширина которой соответствует гистерезису. Линия появляется только при повороте ручки запуска и затем через несколько секунд исчезает. Гистерезис позволяет уменьшить или исключить повторный запуск из-за шума сигнала запуска, то есть в конечном счете уменьшить джиттер по вертикали.

Выбор уровня запуска с регулируемым гистерезисом

Рис. 23. Выбор уровня запуска с регулируемым гистерезисом

Благодаря оригинальной цифровой системе запуска удалось резко уменьшить джиттер по горизонтали. При этом точка запуска располагается в нулевой точке горизонтальной оси. Это отчетливо видно при наблюдении осциллограммы сигналов с частотной модуляцией и сигналов от генераторов качающейся частоты (рис. 24).

Осциллограмма синусоидального сигнала с быстрой перестройкой частот

Рис. 24. Осциллограмма синусоидального сигнала с быстрой перестройкой частот

Вид запуска нередко определяет возможности обнаружения тех или иных особенностей и аномалий сигнала. Осциллограф R&S RTO позволяет даже при запуске по перепаду сигнала фиксировать его разнообразные особенности. Правда, в этом случае они могут (особенно при выключенной персистенции) просто промелькнуть на экране, и пользователь успевает остановить прибор, лишь когда изображение уже сменилось другими событиями (рис. 25).

Обнаружение аномалии — глитча

Рис. 25. Обнаружение аномалии — глитча

Здесь очень полезна функция History для работы с архивом осциллограмм, позволяющая просмотреть содержимое памяти. Можно настроить запуск на определенную длительность импульса (рис. 26).

Осциллограмма с запуском по заданной длительности импульса

Рис. 26. Осциллограмма с запуском по заданной длительности импульса

Запуск по импульсам синхронизации характерен для телевизионных сигналов современных стандартов аналогового и цифрового телевидения. У осциллографов R&S RTO просмотр телевизионных сигналов производится при установке запуска в режим ТV. Линию запуска надо остановить на пересечении синхроимпульсов. Их удобно детально рассматривать, используя функцию Zoom (рис. 27).

Осциллограмма телевизионного сигнала с выводом импульса синхронизации в область Zoom

Рис. 27. Осциллограмма телевизионного сигнала с выводом импульса синхронизации в область Zoom

 

Исследование сигналов аналоговых генераторов

Свою специфику имеет исследование сигналов от аналоговых генераторов различного типа, которое реализуют осциллографы R&S RTO. Такие генераторы не содержат средств дискретизации и квантования сигналов и, в принципе, не имеют ступенек дискретизации. Но геометрические искажения формы их сигналов гораздо больше, чем у современных цифровых генераторов. Для детального изучения формы сигналов, создаваемых генераторами, необходимы осциллографы с более высокой разрядностью, чем 8 бит. Аналоговые устройства обычно имеют повышенный уровень собственных шумов, и для их испытания нужны приборы с анализом спектра и операцией дифференцирования сигналов. Подобным задачам в полной мере удовлетворяют осциллографы высокой четкости R&S RTO (рис. 28).

Осциллограммы синусоидального и прямоугольного сигналов аналогового функционального генератора и производной от синусоидального сигнала

Рис. 28. Осциллограммы синусоидального и прямоугольного сигналов аналогового функционального генератора и производной от синусоидального сигнала

На рис. 28 показаны осциллограммы синусоидального и прямоугольного сигналов от аналогового функционального генератора и спектр прямоугольного сигнала. Они вполне соответствуют теоретическим представлениям о таких идеальных сигналах. А вот диаграмма производной синусоидального сигнала выявляет довольно большой шум, и для уменьшения его приходится использовать режим усреднения.

Осциллограмма треугольного сигнала (этот сигнал является базовым для данных генераторов) и диаграмма его производной (рис. 29) свидетельствуют не только о хорошей форме сигнала (производная треугольного сигнала — прямоугольный сигнал), но и о неожиданно большом уровне шума. На вершинах треугольного сигнала высокой частоты можно обнаружить округление.

Осциллограмма треугольного сигнала от аналогового функционального генератора и его производной

Рис. 29. Осциллограмма треугольного сигнала от аналогового функционального генератора и его производной

Более заметны и очень разнообразны искажения синусоидального сигнала у LC-генераторов. Их синусоидальный сигнал нередко содержит значительный уровень первых нескольких гармоник — настолько большой, что несинусоидальность формы становится заметной даже на глаз. На рис. 30 показана осциллограмма сигнала от генератора «стандартных» сигналов GRG‑459B китайской фирмы GoodWill на частоте 150 МГц. Выпускающая такой дешевый генератор фирма даже нашла полезное применение этому свойству — свой прибор она назвала генератором с калиброванными гармониками и ввела диапазон частот до 450 МГц для третьей гармоники.

Осциллограмма ВЧ-сигнала LC-генератора и его производной

Рис. 30. Осциллограмма ВЧ-сигнала LC-генератора и его производной

Данный генератор в первую очередь предназначен для проверки радиоприемных устройств и высокочастотных резонансных устройств, в том числе использующих амплитудную модуляцию. Анализатор спектра осциллографа обнаруживает небольшую паразитную модуляцию, даже когда она выключена и совсем незаметна на сплошной дорожке сигнала (рис. 31). Это пример того, как осциллограф R&S RTO способен выявить и точно оценить аномалии сигналов, даже невидимые глазом на осциллограммах.

Спектр сигнала с выключенной модуляцией четко обнаруживает паразитную модуляцию

Рис. 31. Спектр сигнала с выключенной модуляцией четко обнаруживает паразитную модуляцию

 

Джиттер и гистограммы его распределения

Нестабильность (системная, амплитудная, частотная, временная и комбинированная) присуща всем сигналам и имеет разную физическую природу, в частности, сказывается влияние шумов или уровней запуска осциллографа. У осциллографов R&S RTO собственный джиттер (особенно временной) резко уменьшен, но он всегда присущ реальным сигналам и потому требует специальной оценки, в том числе построения гистограмм уровня джиттера и его спектрального состава.

В позиции Analysis меню Windows есть доступ к утилите детального анализа джиттера. Ее окно показано на рис. 32. Анализируется джиттер прямоугольного сигнала калибратора, и строится статистическая гистограмма распределения джиттера по горизонтали.

Типичный вид экрана при анализе джиттера

Рис. 32. Типичный вид экрана при анализе джиттера

На рис. 33 дан пример наблюдения горизонтального джиттера и построения гистограммы его распределения с использованием техники цветной раскраски.

Пример наблюдения горизонтального джиттера и построения его гистограммы

Рис. 33. Пример наблюдения горизонтального джиттера и построения его гистограммы

 

Тестирование последовательной шины USB и I/Q‑интерфейса

Как отмечалось в [1, 2], осциллограф R&S RTO хорошо приспособлен для декодирования и анализа высокоскоростных сигналов широко распространенных устройств с кодоимпульсной модуляцией [7] и последовательных шин. Для проведения такого анализа и исследования различных устройств с USB-шинами компания выпускает различные демонстрационные платы, что минимизирует набор средств для тестирования. На рис. 34 изображена функциональная схема такого тестирования со скоростью режима HS 480 Мбит/с.

Тестирование последовательной шины USB

Рис. 34. Тестирование последовательной шины USB

Типичная осциллограмма сигнала последовательных данных шины USB, записанная в файл и распечатанная принтером, представлена на рис. 35. Осциллограф может декодировать такую последовательность и определять соответствие данных стандартному протоколу работы шины USB.

Распечатка осциллограммы сигнала последовательных данных шины USB

Рис. 35. Распечатка осциллограммы сигнала последовательных данных шины USB

При тестировании скоростных последовательных данных, в том числе от USB-шины, применяются глазковые диаграммы и маски, область недопустимых положений осциллограмм. Распечатка такой диаграммы и маски (красный шестиугольник) принтером показана на рис. 36. Разумеется, подобную диаграмму можно отображать и на экране осциллографа.

Распечатка цветной глазковой диаграммы USB-шины

Рис. 36. Распечатка цветной глазковой диаграммы USB-шины

В [6] описана методика проведения моделирования скоростных устройств с кодоимпульсной модуляцией с применением осциллографов и матричной системы компьютерной математики MATLAB. Синусоидальная несущая в таких устройствах моделируется по фазе при постоянстве амплитуды и частоты. В комплексной плоскости это отображается положениями точки — конца радиус-вектора сигнала при различных состояниях цифрового модулирующего сигнала (так называемые звездные диаграммы). Используется и техника построения глазковых диаграмм.

 

Заключение

Новейшие осциллографы высокой четкости R&S RTO фирмы Rohde & Schwarz прекрасно приспособлены для изучения и тестирования разнообразных сигналов от различных электронных компонентов и устройств — от простейших LC-генераторов до цифровых генераторов функций и сигналов и скоростных проводных и беспроводных линий последовательной передачи данных. Приборы имеют обширные математические возможности, оригинальную цифровую систему запуска и синхронизации, удобный анализатор спектра на основе быстрого преобразования Фурье, архив осциллограмм и функцию History, а также широкий выбор моделей с разной полосой пропускания и ценой. Наряду с аппаратной реализацией многих функций это обеспечивает большую гибкость в обработке, тестировании и исследовании различных сигналов.

Литература
  1. Дьяконов В. П. Современная осциллография и осциллографы. М.: СОЛОН-Пресс, 2005.
  2. Дьяконов В., Струнин П. Компания Rohde & Schwarz: от европейского к мировому лидерству! // Компоненты и технологии. 2015. №6
  3. R&S RTO Digital Oscilloscope User Manual. Rohde & Schwarz, 2015.
  4. Осциллографы цифровые R&S RTO. Руководство по эксплуатации. Rohde & Schwarz, 2015.
  5. Дьяконов В. П. MAYLAB и SIMULINK для радиоинженеров. ДМК-Пресс, 2011.
  6. Руйц Р., Хельвиг М. Об использовании программного I/Q‑интерфейса осциллографа R&S RTO в пакете MATLAB // Контрольно-измерительные приборы и системы. 2013. № 2.
  7. rohde-schwarz.com. Тестирование по маске устройств USB 2.0 с помощью цифрового осциллографа R&S RTO. Указания по применению. Rohde & Schwarz, 2012.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *