Осциллографы высокой точности Teledyne LeCroy HDO4000/6000: каналы вертикального отклонения

Общие данные о приборах

Осциллографы HDOP4000/6000 4‑канальные, и все их аналоговые каналы практически идентичны. Новейшие осциллографы HDO4000/6000‑MS, анонсированные 13 ноября 2013 года обрели разъем для подключения многоканального пробника логических сигналов, что превратило приборы в полноценные осциллографы смешанных сигналов. Старшая модель HDO6000‑MS (рис. 1) имеет полосу частот аналоговых сигналов 1 ГГц и время нарастания 0,35 нс при погрешности измерения в каждом канале амплитуды 0,5%.

Рис. 1. Новейший 4 канальный 1 ГГц осциллограф HDO6104 MS стал еще и анализатором логических сигналов

Режимы развертки осциллографа: автоматический, ждущий, однократный. Режимы синхронизации: основная (фронт, длительность, ТВ), интеллектуальная (глич, рант, длительность, скорость нарастания, интервал и т. д.), по шаблону, по логической последовательности, каскадная (каскадная, по качеству, по подтвержденному первому), по результатам измерений. Режим TriggerScan обеспечивает поиск аномалий в исследуемых сигналах.

Для работы с цифровыми сигналами к осциллографу прилагается пробник логических сигналов, показанный на рис. 2. Пробник имеет на выходе один разъем для подключения к осциллографу и два кабеля с восьмью входными зажимами для подсоединения к цифровым устройствам (всего 16 цифровых каналов). Входное сопротивление каждого цифрового канала 100 кОм параллельно с емкостью 45 пФ, время нарастания 2 нс, задержка между каналами 350 пс. Включается осциллограф в режим просмотра цифровых сигналов нажатием кнопки Digit. У осциллографов, не относящихся к классу MS, эта кнопка не работает.

Рис. 2. Пробник логических сигналов для осциллографов смешанных сигналов

Регуляторы двойного действия имеют функциональность, обеспечивающую выбор основных действий нажатием: регулировка уровня синхронизации осциллографа, выбор оптимального уровня запуска, установка в нулевое положение (смещение и задержка).

Показатели каналов вертикального отклонения

Аналоговые каналы осциллографа имеют чувствительность от 1 мВ/дел. до 1 В/дел. (с шагом 1, 2, 5) при входном сопротивлении 50 Ом, которое применяется при исследовании сигналов, работающих на согласованную нагрузку. В других случаях рекомендуется использовать пробники PP117 (250 МГц) и РР118 (500 МГц) и работать с входным сопротивлением 1 МОм. Чувствительность на этом входе: от 1 мВ/дел. до 10 В/дел. (с пробником до 100 В/дел.). Пробники дают деление уровня сигнала в 10 раз и обеспечивают входное сопротивление 10 МОм при входной емкости 10 пФ. Комплект из четырех пробников с аксессуарами для них входит в штатную поставку осциллографа.

При 12‑битовой дискретизации аналоговые каналы обеспечивают погрешность на постоянном токе ±0,5%, что втрое меньше, чем у 8‑битовых осциллографов. Динамический диапазон вырос до 72 дБ против 48 дБ у 8‑битовых осциллографов. Малый уровень шумов каналов позволяет получать очень четкие осциллограммы. Память осциллограмм каждого канала составляет 50 Мбайт и расширяется аппаратными опциями 150 и 250 Мбайт/канал. Логические каналы имеют максимальную тактовую частоту входных сигналов 250 МГц, частота дискретизации 1,25 ГГц, максимальная. Память 50 Мбайт (опции: 100 Мбайт и 125 Мбайт) делится между активными каналами.

При работе с осциллографом решающая роль отводится показателям его каналов вертикального отклонения. Важнейшим параметром здесь становится время нарастания переходной характеристики каждого канала. Она оценивается известной формулой 0,35/f_вс, где f_вс — верхняя частота среза, практически равная полосе частот. Эта оценка предполагает, что амплитудно-частотная (АЧХ) характеристика имеет медленный спад за пределами полосы частот (проверено ниже).

В распоряжении автора был осциллограф HDO6054 с полосой частот 500 МГц, соответственно приведены данные об этом приборе. У приборов с полосой 1 ГГц время нарастания переходной характеристики около 0,35 нс. На рис. 3 показаны осциллограммы импульсов от двух головок калибратора осциллографов И12. Головки выполнены на туннельных диодах и имеют собственное время нарастания около 50 пс. Автоматические измерения показывают, что перепады обеих головок дают времена фронтов чуть менее 0,7 нс.

Рис. 3. Осциллограммы импульсов от калибратора И1-12

Большое значение имеет вид амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), в том числе и за пределами полосы частот. Слишком резкое ограничение полосы частот ведет к значительным выбросам переходной характеристики прибора. В Datasheet прибора сведения об АЧХ не приводятся, кроме того что дается полоса частот при спаде АЧХ на –3 дБ или до относительного уровня 0,707.

АЧХ каналов снималась с помощью треккинг-генератора анализатора спектра, который использовался как генератор качающейся частоты в диапазоне частот от 50 кГц до 3 ГГц. Время качания было установлено в 1 с, такое же время выбиралось у развертки осциллографа. На рис. 4а приведен вид изображения на экране осциллографа при совмещении начала генерации с левым краем экрана. Развертка во времени 1000 мс в этом случае соответствует частоте 3 ГГц. Осциллограф синхронизируется по фронту сигнала в момент начала генерации.

Рис. 4. Амплитудно-частотная характеристика:
а) первого канала 500 МГц осциллографа;
б) второго канала 500 МГц осциллографа;
в) осциллографа при ограничении полосы на уровне 200 МГц;
г) осциллографа при ограничении полосы на уровне 50 МГц

Из изображения на экране можно сделать несколько интересных выводов. Прежде всего видно, что сигнал воспроизводится как широкая полоса с довольно равномерной окраской. Ее ширина определяется двойной амплитудой синусоиды с медленно меняющейся частотой. Это говорит о том, что осциллограф использует большую память осциллограмм. АЧХ является верхней огибающей осциллограммы.

Падение АЧХ до уровня 0,707 происходит на частоте несколько большей, чем 500 МГц, а спад АЧХ происходит медленно и плавно вплоть до частоты 3 ГГц. Небольшой подъем АЧХ в пределах полосы частот, скорее всего, связан с неравномерностью АЧХ самого треккинг-генератора.

Для оценки идентичности каналов были сняты АЧХ всех каналов. Они оказались практически одинаковыми. В качестве примера на рис. 4б показана АЧХ второго канала — она, естественно, сменила цвет с желтого на красный (это цвета осциллограмм соответствующих каналов).

Каждый канал имеет фильтры, сужающие его полосу до 200 и 50 МГц. На рис. 4в показана AЧХ второго канала при включении фильтра на 200 МГЦ.

АЧХ при включении фильтра на 50 МГц представлена на рис. 4г. Включение и выключение фильтров осуществляется с панели настроек каналов.

Просмотр синусоидальных сигналов

Синусоидальный сигнал — один из самых простых. Самым простым сигналом является сигнал постоянного тока — его осциллограмма просто горизонтальная прямая. Длина линии синусоидального сигнала увеличивается с ростом его частоты и амплитуды. Очень высокочастотные сигналы выглядят как сплошная линия, а при умеренных частотах, когда осциллограф воспроизводит десятки периодов, на нем отчетливо просматриваются ступеньки, вызванные дискретизацией (рис. 5). Разрядность дискретизации 12 бит существенно снижает этот эффект в сравнении с разрядностью в 8 бит, но принципиально его не устраняет.

Рис. 5. Осциллограмма множества периодов синусоидального сигнала выявляет ступенчатость, связанную с дискретизацией сигнала

Если на экран выводятся всего несколько периодов (рис. 6), осциллограмма обычно имеет идеальную форму — если она не засорена шумами и помехами. Методы борьбы с ними были описаны в первой статье по осциллографам данного типа.

Рис. 6. Простое сокращение числа периодов позволяет добиться почти идеальной осциллограммы

При просмотре синусоидального сигнала может быть включен режим растяжки Zoom, что приводит к появлению окна со своим дескриптором (рис. 7). Установки в этом окне очевидны.

Рис. 7. Обзор синусоидального сигнала и его выделенной части

Осциллограмму на экране можно перемещать по вертикали ручкой вертикального смещения. Можно менять масштаб осциллограммы вплоть до выхода за пределы окна (рис. 8).

Рис. 8. Демонстрация выхода осциллограммы синусоидального сигнала за пределы экрана

Что происходит при этом с пиками синусоиды — неизвестно. Смещением осциллограммы по вертикали можно вывести верхушки синусоиды в рабочую область экрана и судить об их искажении. Если размеры осциллограммы незначительно превышают размеры экрана, сигнал практически не искажается (рис. 9).

Рис. 9. Смещение сигнала позволяет рассмотреть его часть, выходящую за пределы экрана

Наблюдение импульсных сигналов от генераторов

Достаточно полную картину качества осциллографирования можно получить, только просматривая различные сигналы от генератора стандартных сигналов или функций. Сейчас выпускается немало генераторов сигналов произвольной формы типа AFG или AWG. Приведем несколько примеров наблюдения сигналов стандартной формы от таких генераторов.

На рис. 10 показана осциллограмма синусоидального сигнала и прямоугольного импульса при включении 8‑кратного усреднения.

Рис. 10. Импульс и синусоида при 8 кратном усреднении

Осциллограммы треугольного сигнала и меандра показаны на рис. 11. Осциллограммы выглядят безупречно, и по ним трудно сделать какие-либо замечания. Это говорит о том, что осциллографы с высокой точностью прекрасно подходят для тестирования и исследования функциональных генераторов.

Рис. 11. Осциллограммы треугольного сигнала и меандра при 8 кратном усреднении

Некоторые генераторы имеют набор из 50–100 стандартных и специальных форм сигналов. Все их можно просматривать с помощью осциллографа. К примеру, на рис. 12а показано получение осциллограммы ступенчатого сигнала с растяжкой той части, где формируется главный перепад.

Поскольку ступенчатый сигнал имеет множество малых перепадов (ступенек), их также желательно детально просматривать. Для этого достаточно переместить выделенную зону на основной осциллограмме на область перепада, интересующего пользователя (рис. 12б).

Рис. 12. Осциллограмма ступенчатого сигнала:
а) его главного перепада;
б) одной из его ступенек

Математические операции с сигналами

Важным достоинством осциллографов высокой точности класса HDO является обширный набор операций математических вычислений с одной или двумя осциллограммами и удобное задание математических операций (рис. 13).

На рис. 13 показано выполнение стандартной операции быстрого преобразования Фурье (БПФ). Осциллограф имеет специальную опцию расширенного анализа спектра, которая будет описана в следующей статье серии. К данному примеру работа с этой опцией отношения не имеет.

Рис. 13. Окно с математическими функциями и БПФ меандра

Проиллюстрируем выполнение математических операций на ряде характерных примеров. На рис. 14 показана осциллограмма синусоиды и ее абсолютного значения. Форма сигнала типична для двухполупериодного выпрямления сигналов, и результирующий сигнал может использоваться для моделирования двухполупериодного выпрямителя.

Рис. 14. Осциллограмма синусоиды и ее абсолютного значения

Осциллограмма треугольного сигнала и результат ее интегрирования представлены на рис. 15. Из них видно, что возможны не только простейшие операции над сигналами разного вида (например, взятие от него элементарных функий), но и операции высшей математики, в том числе дифференцирования, интегрирования, сглаживания и интерполяции. Все это резко расширяет возможности осциллографа.

Рис. 15. Треугольный сигнал и интеграл от него

Возможны различные математические операции и над осциллограммами двух каналов. На рис. 16, в частности, показана операция вычисления и построения разности синусоидального и треугольного сигнала. Разумеется, могут использоваться сигналы любой другой формы.

Рис. 16. Синусоидальный и треугольный сигналы и функция их разности

Интересный пример показан на рис. 17. Здесь высокочастотная синусоида моделируется по амплитуде умножением на другой (треугольный) сигнал. Это позволяет легче понять суть амплитудной модуляции.

Рис. 17. Высокочастотная синусоида и низкочастотный треугольный сигнал и функция их произведения

На рис. 18 можно видеть синусоиду с частотой 1 МГц, полученную при использовании опции анализа джиттера. Помимо осциллограммы здесь выводятся гистограмма джиттера, спектр синусоиды (практически единственный пик), таблица результатов автоматических измерений и некоторые другие данные.

Рис. 18. Синусоида с частотой 1 МГц и анализ ее джиттера

Осциллограмма прямоугольного импульса от измерительного генератора и гистограмма амплитудного распределения показаны на рис. 19.

Рис. 19. Импульс и гистограмма его амплитудной нестабильности

Осциллографы HDO6000 имеют встроенные средства для декодирования последовательных данных и проверки их на соответствие протоколам большого числа шин: I²C, SPI, UART/RS‑232, CAN, LIN, FlexRay, SENT, Audio (I²S, LJ, RJ, TDM), DigRF3G, DigRFv4, DPHY, ARINC429, MIL-STD 1553, USB 1.0/1.1/2.0, USB-HSIC. Пример проверки соответствия сложного сигнала протоколу последовательной шины USB2 показан на рис. 20.

Рис. 20. Пример декодирования последовательности на соответствие протоколу USB2

Другой пример представлен на рис. 21. Работа с анализатором последовательных шин требует хорошего знания тематики этого вопроса и представляет интерес для достаточно опытных пользователей.

Рис. 21. Пример декодирования сигнала последовательной шины

Опция анализа ключевых источников питания также входит в состав штатных опций осциллографов HDO6000. Осциллограммы напряжения, тока и мгновенной мощности ключевого элемента показаны на рис. 22. Нетрудно заметить, что значительная мощность выделяется в моменты переключения ключевого элемента, когда одновременно наблюдаются большие напряжения и токи.

Рис. 22. Осциллограммы напряжения и тока ключа в импульсном регуляторе и осциллограмма мгновенной мощности

Функция WaveScan имеет обширные возможности в наблюдении аналоговых сигналов и результатов их статистической и математической обработки. Пример работы с функцией показан на рис. 23. Хорошо видны различные типы гистограмм, таблицы измерения параметров и дескрипторы различного типа.

Рис. 23. Применение функции WaveScan для просмотра аналоговых сигналов

Большинство характеристик и параметров сохраняется и при работе с цифровыми сигналами. На рис. 24 можно видеть работу системы WaveScan с цифровыми сигналами. Показана работа системы расширения осциллограмм и действия функции Zoom.

Рис. 24. Применение функции WaveScan для просмотра цифровых сигналов

Специальные типы пробников

Рис. 25. Специальные пробники для осциллографов высокой точности

Как уже отмечалось, осциллографы комплектуются штатными типами пробников с коэффициентом деления 10 и входным сопротивлением 10 МОм. Однако при решении специальных задач требуются некоторые специальные типы пробников. Так, при работе с опцией анализа ключевых источников питания обычно применяются дифференциальный пробник тока (до 700 А) и высоковольтный пробник для снятия осциллограмм тока и напряжения (рис. 22).

Корпорация Teledyne LeCroy выпускает несколько типов специальных пробников, предназначенных для осциллографов высокой точности и приобретаемых как опции. Несколько таких пробников представлено на рис. 25. Применение специальных пробников расширяет возможности осциллографов. С их характеристиками можно познакомиться с помощью описаний к пробникам Datasheet.

Заключение

Исследование каналов вертикального отклонения осциллографов высокой точности HDO4000/6000 показало, что каналы практически идентичны и укладываются в нормы значений времени нарастания переходной характеристики и полосы пропускания. АЧХ аналоговых каналов имеет медленный спад за пределами рабочей полосы частот до частот порядка 3 ГГц. Высокая разрядность дискретизации (12 бит) и точность (0,5%), а также малый уровень шумов каналов вертикального отклонения являются залогом получения четких осциллограмм, обычно без заметных ступенек. Это справедливо как для осциллограмм стандартных форм сигналов от измерительных генераторов, так и осциллограмм, созданных опциями осциллографов. Большое число автоматических измерений и математических операций с сигналами каналов расширяет возможности и сферы применения осциллографов высокой точности.

Статья опубликована в №4-2014 журнала «Компоненты и технологии»