Новейшие многокомпонентные осциллографы Keysight 6000S и 6000X: первым делом гигагерцы…

Введение

Современный осциллограф — один из самых массовых и широко распространенных приборов, который зачастую способен заменить множество устройств. В настоящее время развитие осциллографов идет по нескольким важным направлениям:

• Расширение диапазона частот исследуемых сигналов и частот дискретизации.
• Повышение разрядности цифровых осциллографов, уменьшение за счет этого уровня ступеней квантования, увеличение четкости и точности.
• Увеличение функциональных возможностей осциллографов путем включения в них других приборов: логического анализатора, анализатора спектра, цифрового вольтметра, генератора и др.
• Повышение эксплуатационных характеристик приборов — сенсорное управление, уменьшение габаритов, веса и потребляемой мощности.
• Снижение стоимости каждого гигагерца полосы частот приборов.

Очевидно, что эти взаимно противоречивые требования нельзя удовлетворить одинаково хорошо. Например, недавно появились осциллографы Teledyne LeCroy c 12‑битовой разрядностью (4096 ступеней дискретизации), высочайшей четкостью и высокой точностью, но их полоса пропускания ограничена 1 ГГц [1, 2]. Другой путь избрала компания Keysight. Ее новейшие осциллографы серий 6000S/Х, представленные вслед за приборами серии 4000X [3], имеют более скромную разрядность в 10 бит (1024 ступени дискретизации), но максимальная полоса частот доведена до 6–8 ГГц при умеренной стоимости и увеличении числа компонентов приборов до шести [4, 5]. 12‑битовое разрешение поддерживается на программном уровне (high res).

Общие характеристики осциллографов Keysight 6000S/X

В осциллографы серий 6000S/X могут быть встроены сразу шесть приборов:

• собственно широкополосный цифровой запоминающий осциллограф реального времени с повышенной разрядностью;
• анализатор спектра на основе быстрого преобразования Фурье (БПФ);
• анализатор логических состояний устройств с параллельной передачей данных (у приборов MSO);
• анализатор большого числа протоколов последовательных шин;
• цифровой 3‑разрядный вольтметр DVM с входами осциллографа;
• цифровой 10‑разрядный частотомер.

Рис. 1. Внешний вид осциллографов высокой четкости серии InfiniiVision 6000S

Серия 6000S (рис. 1) представлена как лабораторные приборы с высоким разрешением (10 бит аппаратно) и с открытой архитектурой, которые задают новый стандарт для высококачественных запоминающих Hi-End-осциллографов типа DSO (только с аналоговыми входами) и MSO (смешанных сигналов) с полосой частот до 8 ГГц (табл. 1) [4]. Чувствительность приборов по вертикали составляет от 1 мВ/дел. до 5 В/дел. (при 50‑омном входе до 1 В/дел.). Уровень собственного шума всего 90 мкВ при чувствительности 1 мВ/дел. и полосе 1 ГГц. Чувствительность до 2 мВ/дел. во всей полосе частот поддерживается аппаратно. Диапазон времен развертки от 5 пс/дел. до 20 с/дел. Размеры корпуса 33×43×23 см, вес 12 кг, потребляемая мощность 375 Вт.

Эти приборы имеют сегментированную память осциллограмм 50 Мточек (100 Мточек при объединении каналов) в стандартном варианте и 800 Мточек с дополнительной опцией расширения памяти. У осциллографов серии S усовершенствованная архитектура на базе материнской платы с 4‑ядерным процессором Intel i5 с тактовой частотой 3 ГГц и объемом оперативной памяти 8 Гбайт с операционной системой Windows 7. Они обеспечивают высочайшую скорость обработки данных и оснащены твердотельным жестким диском (более 250 Гбайт) для хранения встроенных и внешних программ и ускоренной загрузки. Огромный экран (12 дюймов, или 31,8 см по диагонали) с разрешением 1024768 точек поддерживает высокую достоверность визуализации осциллограмм и удобное сенсорное управление прибором. Оснащены шестью портами (два на передней панели) универсальной последовательной USB 2.0/3.0 со скоростью 200 Мбит/с, портом 1000‑битного Ethernet локальной сети и др. Золото-платиновые прецизионные BNC-разъемы осциллографа имеют гарантированную полосу частот более 8 ГГц.

Осциллографы Keysight 6000X (рис. 2а, б) внешне очень похожи на приборы Keysight 4000X [3] и имеют более дешевую закрытую архитектуру и удобный форм-фактор — глубина всего 15 см и масса 6,8 кг. Они занимают мало места на рабочем столе, оснащены емкостным сенсорным дисплеем с диагональю 12,1″ (31 см) и разрешением 800×600 точек (рис. 2в). У новых приборов предусмотрено ручное управление. Габариты приборов 425×288×148 мм, вес 6,8 кг (в упаковке 11,3 кг), потребляемая мощность снижена до 200 Вт.

Рис. 2. Внешний вид осциллографа Keysight 6000X

Слева у осциллографа серии 6000X (рис. 2) предусмотрена панель с разъемами для подключения внешних устройств:

• входа/выхода Aux и 10‑МГц опорного сигнала Ref;
• последовательной шины USB (еще два разъема есть на передней панели);
• локальной сети LAN;
• низкоскоростной последовательной шины RS‑232 (LINE);
• внешнего дисплея VGA.

Осциллографы обладают 10‑битовой разрядностью канальных АПЦ, максимальной скоростью обновления осциллограмм до 450 000 в секунду и сегментированной памятью осциллограмм 4 Мточек. В базовых моделях полоса приборов составляет 1 ГГц и расширяется штатными опциями до 6 ГГц. Четырехканальный прибор с полосой 6 ГГц примерно вполовину дешевле устройства старых серий с полосой 1–1,5 ГГц (табл. 2).

В конце апреля 2014 года вышли достаточно подробные описания по приборам серий 6000S и 6000X [4, 5].

Параметры аналоговых каналов

Все приборы имеют два или четыре идентичных канала аналоговых сигналов. Каждый оснащен входом, регуляторами чувствительности и смещения, аттенюатором, функциями ограничения рабочей полосы частот и новым сверхбыстродействующим 10‑битовым аналого-цифровым преобразователем (АЦП) в виде специализированной интегральной микросхемы с высокой частотой дискретизации — до 20 Гбит/с при объединении двух каналов и 10 Гбит/с при независимой работе всех каналов (рис. 3).

Рис. 3. Компоненты двух аналоговых каналов 6000S на печатной плате

Поскольку каналы могут работать с различными типами входов (50 Ом или 1 МОм), разными фильтрами и пробниками, полоса пропускания каналов может принимать различные значения. Предусмотрено специальное окно для выбора полосы пропускания. Благодаря высокой максимальной полосе частот (до 6 или 8 ГГц) осциллографы имеют уникально малое для категории массовых приборов время нарастания аналоговых каналов — примерно вплоть до 50 пс. Это частично подтверждают осциллограммы меандра с длительностью фронтов 130 пс, представленные на рис. 4. Использована техника создания опорных осциллограмм, сохраняемых на модуле флэш-памяти.

Рис. 4. Реакция осциллографа 6000X на меандр с фронтами 130 пс

От широкополосных трактов каналов аналоговых сигналов естественно ожидать высокого уровня собственных шумов. Однако Keysight 6000X имеют довольно низкий уровень собственных шумов (около 115 мкВ c.к.з. при коэффициенте отклонения 1 мВ/дел., а у серии 6000S даже 90 мкВ c.к.з. при частоте сигнала 1 ГГц и входном сопротивлении 50 Ом) (рис. 5). Предшествующие модели серии 4000X не располагали функцией построения гистограмм распределения шумов и джиттера. Новая серия приборов 6000X дополнена столь важной и полезной опцией. Спектр наглядно показывает, что распределение шума близко к нормальному распределению.

Рис. 5. Собственный шум канала вертикального отклонения и микрогистограмма его распределения

Просмотр аномалий сигнала

В осциллографах 6000S/X, традиционно для приборов Keysight, значительное внимание уделено обнаружению различных аномалий в исследуемых сигналах. Сложные сигналы, в том числе с аномалиями, удобно рассматривать с помощью функции растяжения Zoom (рис. 6). Она особенно эффектна на большом экране осциллографов 6000S.

Рис. 6. Экран осциллографа 6000S с функцией растяжки

Многие виды аномалий, например связанные с изменением амплитуды или длительности импульса, удается обнаружить, применяя запуск развертки по особым условиям. На рис. 7 показано окно поиска по длительности импульса. Выделяются первые импульсы пачек, имеющие максимальную длительность. Система запуска осциллографов рассчитана на обнаружение всевозможных аномалий.

Рис. 7. Поиск удлиненного импульса в пачке

Осциллографы позволяют выделять прямоугольником так называемые области интереса, в частности аномальные или просто особые участки осциллограмм, и запускать с них развертку простым касанием пальца (рис. 8). Таким образом реализуется быстрая идентификация и отображение данных участков.

Рис. 8. Выделение зоны (места) осциллограммы для запуска касанием пальца или стилусом

С помощью опции DSOX6JITTER в осциллографах выполняется расширенный анализ джиттера. Кнопка Jitter вызывает появление окна анализа джиттера (рис. 9). Возможны и другие опции расширенного анализа тестируемых устройств и сигналов.

Рис. 9. Окно анализа джиттера с построением его микрогистограмм, спектра и таблицы его автоматических измерений

Автоматические измерения и математики

Отличием новых осциллографов являются расширенные возможности проведения автоматических измерений и математической обработки осциллограмм. Приборы серии 6000X имеют 56 типов автоматических измерений (рис. 10) с возможностью вывода одновременно до 10 измерений. Есть около двух десятков математических операций и функций, включая быстрое преобразование Фурье, дифференцирование, интегрирование и т. д.

Рис. 10. Выбор метода автоматических измерений

На рис. 11 изображено окно анализа и математической обработки осциллограмм от источника электропитания. Внизу представлена таблица автоматических измерений (в том числе статистических).

Рис. 11. Окно анализа и обработки сигналов от источника электропитания с выводом таблицы автоматических измерений (снизу)

Предусмотрено измерение основных параметров джиттера, глазковых диаграмм, сигналов последовательных шин и т. д. По каждому измеряемому параметру могут выводиться данные статистических измерений и микрогистограммы (горизонтальные и вертикальные).

Персистенция цветная и монохромная

В осциллографах серии 6000S/X заметно усилена роль аналогового послесвечения — персистенции, или «цифрового фосфора». Персистенция может быть монохромной и цветной (рис. 12). Время послесвечения может быть нулевым, регулируемым или бесконечным. Это время выбирает пользователь, в зависимости от решаемой задачи.

Рис. 12. Автоматические и статистические измерения импульсов с меняющейся скважностью с применением цветной персистенции

Персистенция часто нужна для обнаружения коротких и нестационарных аномалий сигналов, например глюков (рис. 13).

Рис. 13. Анализ джиттера переднего фронта импульсов с применением цветной персистенции и построением гистограммы

Цветная персистенция не всегда полезна, так как нередко демонстрирует несуществующие особенности сигналов. В некоторых случаях, в том числе при просмотре телевизионных сигналов, более полезной становится монохромная персистенция (рис. 14).

Рис. 14. Просмотр телевизионного сигнала с монохромной персистенцией

Осциллографы серии 6000S/X имеют хорошо проработанный режим телевизионной развертки для сигналов типовых стандартов NTSC, PAL, SECAM, PAM-M. Развертка осуществляет просмотр любых линий четного и нечетного полукадров. Расширенные возможности развертки и опция Enhanced video Trigger позволяют детально наблюдать линии и полуполя как стандартного, так и HDTV-изображения высокой четкости (480p/60, 567p/50, 720p/50, 720p/60, 1080p/24, 1080p/25, 1080p/30, 1080p/50, 1080p/60, 1080i/50, 1080i/60).

Построение и применение масок

При проведении допускового контроля различных процессов широко используются маски — геометрические фигуры, показывающие допустимые области экрана, в которые не должны попадать осциллограммы сигналов. Например, при контроле глазковых диаграмм широко применяются маски из шестиугольников (рис. 15) и других геометрических фигур. Большое число типов масок позволяет создавать опция задания масок, по существу являющаяся редактором масок.

Рис. 15. Построение глазковых диаграмм с маской и цветной персистенцией

Маски могут строиться и перемещением осциллограмм. Так, на рис. 16 показано построение маски импульса перемещением его осциллограммы. В процессе задания маски осциллограмма импульса смещается, формируя вид и размеры маски. Нельзя не обратить внимания на четкость построения глазковых диаграмм.

Рис. 16. Построение маски по осциллограмме импульса

Попадание осциллограммы в маску фиксируется окраской соответствующего участка осциллограммы в красный цвет, формированием сигнала ошибки и остановкой работы осциллографа.

Реализация БПФ и анализ спектра

В осциллографах серии 6000S/X применено стандартное БПФ для получения частотного спектра исследуемых сигналов (рис. 17). Оно находится в разделе математических операций. БПФ корректно в диапазоне частот до половины частоты дискретизации f_s. Необычно высокое для массовых приборов максимальное значение f_s = 20 ГГц означает автоматическое расширение вверх диапазона частот спектрального анализа. Уменьшение этого диапазона оказывает фильтрующее действие и приводит к снижению уровня шумов при спектральном анализе.

Рис. 17. Построение спектра стандартным методом быстрого преобразования Фурье (6000S)

При спектральном анализе возможны курсорные и автоматические измерения. Пики спектра могут автоматически находиться и помечаться маркерами (до 11 маркеров). При БПФ используется четыре распространенных типа окон: Ханнинга, с плоской вершиной, прямоугольное и Блэкмана — Харриса (у приборов серии S добавлено окно Хамминга и предусмотрена автоматическая маркировка пиков (рис. 17), а также вывод 2D- и 3D-спектрограмм).

Возможности 6000X при анализе спектра более скромные. Разрешающая способность БПФ Span определяется отношением частоты дискретизации к числу точек осциллограммы, которая не может превышать 1 млн. Поэтому рассчитывать на очень высокое разрешение у осциллографов 6000X не приходится. Тем не менее при допустимой полосе разрешения спектральные линии могут иметь вид вертикальных отрезков прямых.

Кроме того, применяется цветная персистенция (рис. 18), полезная, например, для выделения режимов отображения спектра: max hold, min hold и average. Возможно построение микрогистограммы выделенного участка спектра.

Рис. 18. Спектральный анализ с применением цветной персистенции (осциллограф 6000X)

Работа с логическим анализатором параллельных шин

Работа с логическим анализатором подобна работе с этим средством осциллографов Keysight 4000X MSO. К прибору необходимо подключить кабель многоканального пробника цифровых (логических) сигналов (рис. 19). К тестируемому устройству подсоединяется до 16 входов логических сигналов. Максимальная тактовая частота пробника достигает 400 МГц. Входное сопротивление каждого канала 100 кОм, емкость менее 8 пФ.

Рис. 19. Подключение к осциллографу многоканального пробника логических сигналов

Осциллограф используется для раздельного или совместного отображения аналоговых и цифровых сигналов (рис. 20). Предусмотрено также построение сигналов цифро-аналогового преобразователя (без фильтра и с фильтром) с разрядами тестируемой параллельной шины.

Рис. 20. Окно с осциллограммами аналоговых (сверху) и 8 разрядных цифровых (снизу) сигналов

Тестирование по протоколам последовательных шин

С опцией декодирования последовательных данных возможно наблюдение сигналов данных и контроль их на соответствие большому числу протоколов: I²C/SPI, UART, CAN/LIN, FlexRay, I²S, MIL-STD1553/ARINC429, USB 2.0. При снятии осциллограмм последовательных данных используются различные типы диаграмм и гистограмм (рис. 21). Они позволяют наглядно представить сложные сигналы в последовательных шинах.

Рис. 21. Различные типы диаграмм последовательных данных (осциллограф 6000S)

Некоторые шины применяют высокоскоростные дифференциальные сигналы с малыми перепадами напряжения. Подобные сигналы лучше обычных защищены от помех, и шины с ними меньше излучают. Однако они широкополосные, и для их просмотра требуются осциллографы с большой полосой. Именно такую полосу обеспечивают приборы серий 6000S и 6000X (рис. 22). Наряду с дифференциальными пробниками для наблюдения дифференциальных сигналов можно использовать попарно обычные аналоговые входы с операцией вычисления разности сигналов.

Рис. 22. Осциллограммы дифференциальных сигналов последовательных данных

Для более полного анализа необходимо приобретение соответствующей опции, как правило, для каждой используемой шины (рис. 23а). Естественно, это заметно удорожает тестирование устройств с последовательными шинами. Однако надо отметить, что на практике применяется 1 или 2 шины и с сигналами различных шин можно ознакомиться по справке или применяя специальный USB-модуль.

Рис. 23. Анализ последовательной шины:
а) CAN;
б) USB;
в) FlexRay

На рис. 23б показано окно анализа широко распространенной последовательной шины USB2.0. Эта шина использует дифференциальные сигналы данных отдельно для передачи и приема данных.

Окно анализа еще одной современной шины — FlexRay представлено на рис. 23в. Из приведенных примеров видно, что программы тестирования обеспечивают наглядное представление данных и проверку формы и параметров их осциллограмм на соответствие заданным протоколам. Отклонения от протокола фиксируются и выделяются красным цветом. Сравнив эти данные с ранее опубликованными для других моделей осциллографов, нетрудно убедиться в высокой точности и достоверности результатов, получаемых от приборов описываемых здесь серий с повышенной полосой пропускания и более высокой четкостью.

Построение глазковых диаграмм и масок

Опция построения глазковых диаграмм позволяет строить такие четкие диаграммы для сигналов в расширенном диапазоне частот и скоростей передачи последовательных данных. На рис. 24а показано создание глазковой диаграммы скоростной линии передачи данных и микрогистограммы этой диаграммы в месте пересечения (построенный белыми линиями прямоугольник). Справа представлены данные автоматических измерений параметров глазковой диаграммы.

Рис. 24. Глазковая диаграмма:
а) скоростной линии последовательной передачи данных;
б) последовательной шины USB

На рис. 24б изображена глазковая диаграмма массовой последовательной шины USB, отличающаяся высокой четкостью и наглядностью.

Встроенный двухканальный генератор стандартных и произвольных сигналов

Особенно полезной оказалась интеграция многокомпонентного осциллографа с генератором сигналов. Все другие пять компонентов осциллографа являются получателями информации. Генератор принципиально отличается от них тем, что является источником информации — сигналов и дополняет другие компоненты. Это превращает прибор в мощную систему по исследованию разно-образных устройств.

Фактически в осциллографах серий 6000S/X применены два генератора с прямым цифровым синтезом формы импульсов (DDS), работающие от одного сигнала опорной частоты (двухканальный генератор). Генераторы имеют независимые установки основных параметров выходных сигналов: частоты, периода, амплитуды, фазы и др. Включаются генераторы кнопками Gen1 и Gen2, расположенными на панели. Все установки генераторов цифровые и обеспечиваются прямо с экрана осциллографа (рис. 25).

Рис. 25. Окно установки и редактирования сигнала произвольной формы осциллографа 6000X

Предусмотрены следующие типовые формы сигналов: sine, square, ramp, pulse, DC, noise, sine cardinal (sinc), exponential rise, exponential fall, cardiac, gaussian pulse и arbitrary. Возможны многочисленные типы модуляции одного сигнала другим сигналом.

Опции цифрового вольтметра и частотомера

С помощью опций можно оснастить осциллографы цифровым вольтметром DVM и 10‑разрядным частотомером. На рис. 26 их окно изображено справа от осциллограммы сигнала от генератора произвольных сигналов (рис. 25). Цифровой вольтметр измеряет среднеквадратическое значение напряжения от выбранного источника сигнала.

Рис. 26. Окно цифрового вольтметра и частотомера вместе с осциллограммой

Аудиосредства осциллографов

Внимательно присмотревшись к передней панели 6000X, можно заметить отверстие для микрофона и небольшую решетку для динамика в правом верхнем углу передней панели прибора (рис. 27). Благодаря встроенному микрофону и динамику осуществляется речевое (голосовое) управление осциллографом.

Рис. 27. Аудиосредства осциллографа 6000X

Пробники и другие средства

Штатно осциллографы комплектуются пассивными пробниками N2873A с полосой частот до 500 МГц. Поставляется множество (более 100 типов) активных пробников (широкополосных (рис. 28), дифференциальных, высоковольтных, токовых и т. д.), существенно расширяющих возможности приборов. Некоторые пробники оснащены средствами «свободные руки».

Рис. 28. Активный пробник с подсветкой места подключения (поставляется с полосой частот 0,5–6 ГГц)

В ряде случаев интерес представляет токовый пробник N2820A для малых токов — от 50 мкА до 5 А. Он особенно удобен для измерения токов интегральных микросхем (рис. 29). Пробник специально создан для 10‑разрядных осциллографов.

Рис. 29. Токовый пробник для малых токов

Осциллографы могут оснащаться разнообразным программным обеспечением, как фирменным, так и сторонних организаций. Они способны работать с программами компьютерной математики, например мощной матричной системой MATLAB [6] (рис. 30). Особый интерес представляет установка MATLAB на встроенный в осциллографы открытой архитектуры 6000S твердотельный жесткий диск. Это обеспечивает естественную интеграцию MATLAB с прибором и существенное повышение скорости работы, особенно при имитационном моделировании с помощью пакета Simulink.

Рис. 30. Трехмерная цветная MATLAB-диаграмма сегментированной памяти

Приборы допускают работу с различным внешним оборудованием — настольными и переносными компьютерами, принтерами, клавиатурой, мышью, внешними дисплеями и др. К ним подключаются различные демоплаты — в том числе с питанием от USB-шины. При работе с внешними дисплеями можно наблюдать разные осциллограммы и разные домены на каждом из дисплеев, включая дисплей осциллографа (рис. 31).

Рис. 31. Работа с внешним дисплеем большого размера

Заключение

Выпуском новейших широкополосных, высокочастотных и многокомпонентных осциллографов высокой точности серий 6000S и 6000X компания Keysight подтвердила свою роль лидера в разработке и производстве самых современных осциллографов. По существу, приборы вводят новый высочайший стандарт качества современных цифровых осциллографов. Это новые технологии и новые приборы следующего поколения в удобных корпусах и по доступной цене. Они найдут широкое применение в тестировании современных электронных компонентов и устройств.