Как потратить миллион рублей на покупку цифрового осциллографа и что из этого выйдет?

PDF версия
Если читатель занят серьезной научной работой, тестирует или проектирует современные электронные устройства,он бывает вынужден приобретать современные осциллографы — «глаза» человека в мире радиоэлектронных процессов. Но современный цифровой осциллограф даже среднего класса — дорогой прибор, стоимостью под миллион рублей. Если вы имеете такую сумму, то перед вами неизбежно встают вопросы: какой прибор из множества похожих моделей следует приобрести и что вы получите от этой покупки? Попытка ответа на них дана в этой статье. В ней также приведен обзор новейших серий и моделей цифровых осциллографов ведущих компаний мира, созданных за последние пару лет.

Особенности современных цифровых осциллографов

Цифровые запоминающие осциллографы среднего класса (по мировым меркам) к дешевым приборам не отнесешь. Стоимость их лежит в диапазоне от $10 000 до примерно $30 000. Однако, приобретая такой прибор, пользователи получают новейшие средства не только для отображения сигналов и процессов, но и для цифровой обработки наблюдаемых осциллограмм. Эти средства включают возможность их хранения, математической обработки (как внутри прибора, так и с помощью подключаемых к ним внешних компьютеров), а также автоматического измерения и анализа множества параметров сигналов [1, 2] (в том числе с помощью систем компьютерной математики [3]). Полоса частот исследуемых сигналов у этих приборов — от 0,35 до 5 ГГц, а время нарастания — от 1 нс до 100 пс и менее.

С цифровыми осциллографами удобно работать в режиме реального времени, что требует высокой скорости дискретизации входных сигналов (до десятков Гвыб./с) и применения сверхскоростных аналого-цифровых преобразователей. Согласно теореме Котельникова (за рубежом именуемой также теоремой Найквиста), если спектр сигнала ограничен высшей частотой fВ, то он без потери информации может быть представлен дискретными отсчетами с числом, равным 2fВ. Однако это вовсе не реальная, а лишь минимальная теоретическая оценка. На практике нужно использовать число отсчетов не менее (2,5÷10)fВ и применять интерполяцию сигнала между отсчетами.

Теоретически лучшей является интерполяция (восстановление сигнала) на основе функции sin(t)/t, на которой и построена теорема Котельникова. Но она сложна и дает выбросы между отсчетами. Поэтому находят применение и более простые виды интерполяции, например ступенчатая или линейная. У большинства описанных ниже осциллографов обычно есть выбор типа интерполяции, сильно влияющий на качество отображения сигналов малой длительности.

Обычно сигналы воспроизводятся с тем же шагом, что и при их дискретизации. Именно это и означает работу в реальном масштабе времени. Другой путь — выполнение дискретизации при случайном расположении отсчетов. Для высокочастотных периодических сигналов такая мера вместе со статистической обработкой (накоплением, усреднением и сглаживанием) нередко позволяет заметно повысить разрешающую способность осциллографа, но за счет увеличения скорости вывода осциллограмм. Это и лежит в основе стробоскопических осциллографов.

При некоторых измерениях важна скорость обновления осциллограмм. Дело в том, что обычно цифровой осциллограф вначале накапливает отсчеты и проводит их обработку и лишь затем строит осциллограммы сигнала. Это снижает скорость обновления осциллограмм. Все компании стараются повысить скорость обновления различными способами, и у некоторых моделей она доведена до миллиона осциллограмм в секунду.

В выборе осциллографа решающее значение имеет его полоса частот, объем памяти осциллограмм, а также стоимость прибора и применяемых опций и аксессуаров. Как правило, эти параметры взаимосвязаны, и за миллион рублей вряд ли можно прибрести осциллограф с полосой частот выше 1–2 ГГц и памятью в десятки миллионов отсчетов. Большое значение имеют размеры приборов, их вес и потребляемая от сети мощность. Наконец, нельзя не учитывать размеры, разрешающую способность экрана и даже внешний вид приборов.

Собственно осциллограф стоит лишь часть средств, затраченных на его приобретение. Опытный пользователь не должен забывать о многочисленных программных и аппаратных опциях и аксессуарах для осциллографа, включая пассивные и активные пробники и даже сумки для переноски. Их стоимость при больших «аппетитах» пользователя быстро растет и может превысить цену самого осциллографа.

 

Сравнительные характеристики современных осциллографов

Зададимся целью оценить, что получает пользователь, рискнувший затратить миллион рублей на приобретение современного цифрового осциллографа среднего класса, который наиболее часто применяется в серьезных исследованиях и разработках электронных компонентов, изделий, систем и технологий [1, 2]. Обзор рынка показал, что такие приборы выпускают лишь несколько компаний с мировым именем (Tektronix, Agilent, LeCroу и др.). Бюджетные модели и очень дорогие осциллографы с полосой частот выше 1–2 ГГц в этой статье не рассматриваются. В мире автомобили и самолеты разрабатываются и выпускаются куда большим числом фирм, чем высоко-качественные осциллографы, и это лишь подчеркивает сложность создания и серийного производства этих приборов. Поэтому не стоит удивляться, что стоимость осциллографа среднего класса вполне соответствует цене приличного автомобиля.

В литературе обычно детально описываются приборы конкретных компаний. При этом часто, вольно или невольно, подчеркиваются достоинства приборов определенной фирмы и скрываются их недостатки. Только совместное сравнительное описание позволяет учесть достоинства и недостатки осциллографов. Ниже дано такое описание для ряда наиболее известных современных моделей осциллографов (табл. 1).

Таблица 1. Сравнительные характеристики современных осциллографов

Тип и серия осциллографа

Tektronix DPO/MSO 5000A

Tektronix MDO 4000

Agilent DSO/MSO 9100A

LeCroy WR 6100/HRO6000

LeCroy HDO4000/HDO6000

Rohde&Schwarz 1000

Архитектура

Открытая

Закрытая

Открытая

Открытая

Открытая

Закрытая

Анализ спектра

Программируемый

Программно-
аппаратный

Программируемый

Программируемый

Программируемый

Программно-
аппаратный

Полоса частот аналоговая, ГГц

0,35; 0,5; 1; 2

0,1; 0,35; 0,5; 1

0,6; 1; 2,5

0,4; 0,6; 1; 2; 2,5 / 0,4; 0,6

0,2; 0,35;-0.5;1/0,35; 0,5;1

0,6; 1; 2; 4

Скорость дискретизации, Гвыб./с

10/5

2,5 и 5

20/10

20/10

2,5

80; 40; 20; 10

Память осциллографа (стандартная), Мбайт

12,5

20

20/40

16/32

12,5/50

20; 40; 80

Скорость обновления осциллограмм

0,31 млн/с

50 000/с

0,25 млн/с

1 млн/с

0,75 млн/с

1 млн/с

Разрядность, бит

8

8

8

8/12

12

8

Погрешность амплитудная, %

1,5

1,5

2

1,5/0,5

0,5

1,5

Развертка

200 пс/дел. – 1000 с/дел.

0,4/1 нс/дел. – 1000 с/дел.

5 пс/дел. – 20 с/дел.

20 пс/дел. – 1000 с/дел.

20/200 пс/дел. – 1000/2500 с/дел.

25 пс/дел. – 50 с/дел.

Разрешение экрана

1024×768 (XGA)

1024×768 (XGA)

1024×768 (XGA)

1280×800 (31 см по диагонали)

1280×800 (31 см по диагонали)

1024×768 (XGA)

Габариты, мм

233×439×206

229×439×137

230×430×230

297×418×227

292×400×131

249×427×249

Вес (нетто), кг

6,7

5

11,8

11,6

5,86

9,6

Потребляемая мощность

275 Вт

225 Вт

375 Вт

600 Вт

200–350 Вт

Рабочая температура, °С

+5…50

+0…50

+5…40

+5…40

+5…40

+5…40

Гарантия

1 год

3 года

3 года

3 года

3 года

1 год

Примерная стоимость 1-ГГц модели

887 тыс. руб.

1147 тыс. руб., 845 тыс. руб. (0,5 ГГц)

880 тыс. руб.

839 тыс. руб.
(акция — 610 тыс. руб.)

744/901 тыс. руб.

902 тыс. руб.

 

Цифровые осциллографы фирмы Tektronix

Корпорация Tektronix (www.tek.com) издавна занимает лидирующее место в разработке электронных осциллографов — как бюджетных, так и высшего класса. В последние годы это, прежде всего, цифровые осциллографы, работающие в реальном масштабе времени. Доля Tektronix на мировом рынке таких приборов — более 50%. Цифровые осциллографы этой корпорации ценятся за элегантный внешний вид, высокую надежность, малые габариты, небольшой вес и умеренную мощность, потребляемую от сети переменного тока. По этим показателям осциллографы Tektronix явно превосходят модели других фирм.

Лишь недавно был прекращен выпуск сравнительно дешевых осциллографов с открытой архитектурой DSO 5000B, соответствующих миллионному интервалу затрат [2, 3]. Это приборы со встроенным компьютером Windows-архитектуры с двумя или четырьмя каналами (1 МОм/50 Ом), полосой пропускания 350, 500 или 1000 МГц, частотой дискретизации до 5 ГГц, скоростью обновления осциллограмм 100 000/с, большим цветным ЖКИ-дисплеем и длиной записи осциллограмм 8 Мбайт (стандарт) и 16 Мбайт (опция). Развертка по вертикали — 1 мВ/дел. — 10 В/дел. Развертка по горизонтали — 200 пс/дел. — 1000 с/дел. Вертикальное разрешение — 8 бит (11 бит). Погрешность составляет 1,5%. Приборы имеют 14 типов синхронизации, есть фильтры по входам сигналов и синхронизации. В модели этой серии встроен пиковый детектор для импульсов с длительностью от 1 нс и выше. Тестирование логических сигналов не предусмотрено.

В настоящее время на смену этим приборам пришли новейшие осциллографы с открытой архитектурой серий DPO/MSO 5000A [1]. Внешне они похожи на современные массовые приборы серий 2000, 3000 и 4000: в них идентично расположены органы управления и применяется фирменное средство Wave Inspector (двойная поворотная ручка на рис. 1а). Приборы MSO имеют вход для логических сигналов, то есть относятся к осциллографам для смешанных сигналов (аналоговых и логических, или цифровых).

Внешний вид цифрового осциллографа DPO5000 компании Tektronix: а) вид спереди; б) вид сзади

Рис. 1. Внешний вид цифрового осциллографа DPO5000 компании Tektronix: а) вид спереди; б) вид сзади

На заднюю панель (рис. 1б) вынесены разъем электропитания и гнезда для подключения к внешнему компьютеру и другим приборам, а также три разъема USB. Один USB-разъем есть на передней панели. Осциллографы Tektronix DPO/MSO 5000 построены на базе мощного встроенного компьютера с 64‑разрядной операционной системой Windows 7 с микропроцессором Intel Dual Core с тактовой частотой 2,5 ГГц и памятью 4 Гбайт и выше. Встроенный жесткий диск компьютера имеет большой объем — 160 Гбайт и более, что позволяет разместить на нем множество программных опций и внешних программ (в том числе программ компьютерной математики [3]).

Пример работы с Wave Inspector показан на рис. 2: вверху видна обзорная осциллограмма сигнала, а в средней части экрана — детальная осциллограмма участка сигнала с глюком. Перемещать выбранный участок по обзорной осциллограмме можно с помощью большой поворотной ручки, а менять размеры участка, выделенного белыми квадратными скобками (при малых размерах выделения — линиями), — малой поворотной ручкой. Перемещение можно осуществлять вручную или автоматически с остановкой по заданному условию. Это резко облегчает анализ длинных осциллограмм, содержащих порой миллионы отсчетов.

Пример работы с Wave Inspector

Рис. 2. Пример работы с Wave Inspector

Помимо Wave Inspector, в приборах DPO/MSO 5000 используется и другое достижение фирмы — цифровой люминофор, имитирующий возможности аналогового после-свечения в цвете и расширяющий возможности приборов. Это средство облегчает поиск аномалий в сигналах и полезно при оценке нестабильности сигналов во временной и амплитудной областях — джиттера. Оно часто применяется совместно с построением гистограмм джиттера (рис. 3). Внизу на этом рисунке показана таблица параметров автоматических измерений (их у прибора больше полусотни, плюс редактор математических выражений для построения расчетных осциллограмм).

Гистограмма и осциллограмма перепада с использованием Digital Phosphor (осциллограф Tektronix серии DPO5000)

Рис. 3. Гистограмма и осциллограмма перепада с использованием Digital Phosphor (осциллограф Tektronix серии DPO5000)

Раньше инженеры и ученые были вынуждены мириться с принципиально разными возможностями аналоговых и цифровых осциллографов. Им приходилось иметь в арсенале своих средств измерений как те, так и другие приборы. Объединение лучших черт цифровой и аналоговой осциллографии в одном приборе потребовало создания новой архитектуры осциллографов. Компания Tektronix успешно реализовала технологию Insta Vu, которая увеличивает скорость вывода сигнала на дисплей до сотен тысяч осциллограмм в секунду. Эта технология и получила название Digital Phosphor Oscilloscopes (DPO) — осциллографы с цифровым люминофором. Применения аналоговых узлов она не требует.

DPO предлагает все традиционные преимущества цифрового осциллографа — от памяти до изощренной синхронизации, а также дает расширенные средства отображения сигнала дисплеем с градацией по яркости в режиме реального времени (цифровая эмуляция химического процесса свечения ЭЛТ). Таким образом, обеспечивается трехмерная информация о сигнале: его амплитуда, время и интенсивность (распределение амплитуды во времени).

Для этого в DPO сигнал сначала оцифровывается, как в типовом цифровом осциллографе, затем данные преобразуются и размещаются в трехмерной базе данных, структура которой соответствует экранному растру. Оттуда информация периодически отсылается в систему дисплея, которая обслуживается собственным процессором. Следует отметить, что системный процессор DPO не загружен задачами управления дисплеем. Он используется для автоматического измерения и анализа — это отличительная черта DPO.

Сердце DPO — процессор представления сигнала. Этот процессор (1,3 млн КМОП-транзисторов) преобразует оцифрованный сигнал в дисплейный кадр в виде растровой структуры. Эти кадры накапливаются в динамической трехмерной базе массивов данных. Каждому элементу массива соответствует пиксель на дисплее. При этом в массиве создается карта интенсивности сигнала: если сигнал проходит многократно через одну точку, то факт многократного прохождения отражается на карте. Результатом всех преобразований является след сигнала, яркость которого изменяется пропорционально интенсивности появления сигнала в каждой точке — по типу «градации серого», как это происходит на ЭЛТ аналогового осциллографа.

Технология DPO позволяет записывать более 200 000 дисплейных кадров в секунду, что в 1000 раз быстрее, чем у типового цифрового осциллографа 2000 года. Пересылка кадра из «цифрового люминофора» на дисплей происходит 30 раз в секунду. При этом процесс работы АЦП не прерывается, в результате чего «образ» реагирует на изменение сигнала в реальном времени, а избыток данных точно отображает мельчайшие изменения сигнала.

Поскольку DPO хранит информацию о форме сигнала в динамической трехмерной базе данных, то из нее легко можно получить различную статистику об этом сигнале. Построение гистограмм по данным статистики является встроенной функцией осциллографа (рис. 3). Гистограммы могут быть построены как для реального, так и для запомненного изображения экрана во внутренней памяти сигнала. Для расчета гистограмм используется количественная информация относительного распределения сигнала, которая также хранится в динамической трехмерной базе DPO.

Приборы снабжаются множеством опций и аксессуаров, которые продаются отдельно и повышают, с одной стороны, функциональные возможности приборов, а с другой — суммарную стоимость приобретения. Есть опции тестирования и анализа различных шин, джиттера, источников электропитания и т. д., а также пробники — пассивные и активные, дифференциальные, токовые и т. д. Программные опции обновляют интерфейс прибора.

Экран осциллографа DPO/MSO 5000 при работе с программной опцией анализа джиттера

Рис. 4. Экран осциллографа DPO/MSO 5000 при работе с программной опцией анализа джиттера

На рис. 4 показана работа с программной опцией анализа джиттера. Опция позволяет выводить спектры, гистограммы, «глазковые» диаграммы и другие средства, давно известные пользователям систем компьютерной математики.

Недавно разработчики Tektronix создали уникальный и пока единственный в мире многодоменный осциллограф закрытой архитектуры [5] со встроенным анализатором спектра радиочастот (от 50 кГц до 3 или 6 ГГц) — MDO 4000 (рис. 5). Прибор завоевал в 2011 и 2012 годах более десятка престижных международных наград.

Осциллограф со встроенным анализатором спектра радиочастот Tektronix MDO 4000

Рис. 5. Осциллограф со встроенным анализатором спектра радиочастот Tektronix MDO 4000

По просьбе сотрудников российского отделения Tektronix автор провел независимое исследование этого прибора, подробно отраженное в серии статей [6] и показавшее его обширные возможности — особенно при одновременном исследовании устройств и систем, работающих во временной, частотной и логической областях их функционирования. Это позволяет отказаться от подробного описания этого прибора в данной статье и ограничиться демонстрацией его экрана с выводом обзорной и детальной осциллограммы, гистограммы, спектрограммы (новая возможность), спектра сигнала и элементов интерфейса (рис. 6).

Экран осциллографа со встроенным анализатором спектра MDO 4000

Рис. 6. Экран осциллографа со встроенным анализатором спектра MDO 4000

Основные параметры осциллографов MDO 4000 приведены в таблице 1. Отметим, что модель 1‑ГГц осциллографа с 3‑ГГц анализатором спектра немного превышает ценовой диапазон в 1 млн руб., даже если пользователь приобретает прибор без дополнительных опций и аксессуаров. Такова, увы, плата за уникальность прибора. Если уложиться в миллион рублей принципиально важно, придется ограничиться приобретением 500‑МГц осциллографа. Стоимость более широкополосных моделей осциллографов Tektronix, впрочем, как и широкополосных моделей других фирм, достигает заоблачных высот — порою выше $100 000.

 

Цифровые осциллографы Agilent Technologies

Компания Agilent Technologies (www.agilent.com) — еще один крупный игрок на рынке высококачественных осциллографов. Она имеет самые высокие темпы развития осциллографов и владеет новейшей технологией производства современных цифровых приборов различного назначения. Фирма разрабатывает и выпускает ряд серий осциллографов — от «бюджетных» с частотой исследуемых сигналов в десятки МГц до уникальных стробоскопов с частотой сигналов до десятков ГГц [7].

Cерия Agilent 54600 — это цифровые запоминающие осциллографы с цветными дисплеями и диапазоном верхних частот от 50 до 500 МГц. Приборы способны выводить до 100 000 кривых в секунду при 256 уровнях интенсивности. Число каналов — два или четыре, но у некоторых приборов может быть расширено до 16 каналов. Частота стробирования — от 0,2 до 2 Гвыб./c. Стоимость приборов — от $2800 до $11 000.

Серия Agilent 54800 — компьютеризованные осциллографы. Это сразу видно по наличию дисковода для записи осциллограмм и изображений экрана, а также мыши для управления осциллографом. Наличие встроенного компьютера резко повышает возможности цифровой обработки сигналов.

Новая серия Agilent 6000 — это осциллографы с диапазоном верхних частот от 0,3 до 1 ГГц. Частота выборок у этих приборов (от 2 до 4 Гвыб./c) сравнительно невелика, емкость памяти — 1 Мбайт, с расширением опционально до 2 или 8 Мбайт. Это также скромные показатели, но и цена приборов не превышает $6000. Если читатель готов заплатить до миллиона рублей, то его, безусловно, заинтересует серия высококлассных осциллографов с открытой архитектурой Infitiim 9000 (рис. 7).

Внешний вид цифровых осциллографов Agilent серии 9000

Рис. 7. Внешний вид цифровых осциллографов Agilent серии 9000

Экран осциллографа Agilent Infitiim 9000 при просмотре смешанных сигналов показан на рис. 8. Возможности приборов расширяются, как и в моделях других фирм, с помощью опций. Об основных параметрах приборов можно судить по данным таблицы 1. Но осциллограф имеет скромный встроенный компьютер на процессоре Intel Celeron 1,733 ГГц с 32‑разрядной операционной системой Windows SP.

Экран осциллографа Agilent 9000

Рис. 8. Экран осциллографа Agilent 9000

Если можно ограничиться полосой частот до 500 МГц, то стоит обратить внимание на новейшие осциллографы Agilent Infinii-Vision 4000 X с большим экраном (30,7 см по диагонали) и современным внешним видом. Осциллографы имеют пять встроенных устройств: логический анализатор, анализатор протоколов последовательных шин, встроенный двухканальный генератор сигналов произвольной формы, 3‑разрядный вольтметр и 5‑разрядный частотомер. Приборы имеют высокую скорость обновления осциллограмм в 1 млн/с. Большое число опций и аксессуаров расширяет возможности этих приборов. Осциллограф Agilent InfiniiVision 4000 X удостоен в 2012 году трех международных наград.

 

Цифровые осциллографы LeСroy

Компания LeСroy (www.lecroyscope.ru) зарекомендовала себя как самый серьезный конкурент Tektronix и Agilent Technologies. Продажа приборов этой фирмы организована компанией «Прист» и другими российскими дистрибьюторами.

LeСroy достигла успеха не только за счет доступа к сверхскоростной элементной базе, но и благодаря большому опыту разработки осциллографов на базе стандартной открытой платформы персональных компьютеров, с новейшими микропроцессорами корпорации Intel. Уже давно основой вычислительной мощи осциллографов LeСroy была системная плата от ПК с микропроцессором Pentium 4 с тактовой частотой 2,6 ГГц. Никогда еще цифровые осциллографы не имели такой мощной и сравнительно дешевой вычислительной и графической основы. Новые осциллографы имеют встроенный компьютер на двухъядерном процессоре Intel Core 2 Duo c частотой до 3,2 ГГц и ОЗУ 4 Гбайт.

Такой подход не только упрощает построение цифровой части осциллографов, но и позволяет использовать мощный встроенный видеоадаптер системной платы и обычный ЖКИ-дисплей. Большой сенсорный цветной дисплей (31 см по диагонали) позволяет отображать очень четкие и хорошо различимые осциллограммы. Разумеется, высокие характеристики осциллографов получены и благодаря тщательной отработке осциллографических блоков. Небольшая толщина осциллографа (всего 15–16 см) и вертикальная ориентация корпуса обеспечивают малое место, нужное для установки осциллографа на рабочем столе инженера или ученого.

В осциллографах компании LeСroy для обработки входного сигнала применена новая технология X‑Stream, позволяющая в десятки и сотни раз быстрее обрабатывать входной сигнал, чем у аналогичных моделей конкурентов. С помощью технологии X‑Stream можно решить эту техническую проблему увеличения скорости обновления и захвата осциллограмм и их математической обработки.

Технология X‑Stream основана на том, что входной сигнал поступает на SiGe АЦП на основе гетеропереходов, дающих высокое быстродействие интегральных транзисторов, и оцифровывается в реальном времени со скоростью до 10 Гвыб./c. После чего сигнал разбивается на пакеты и хранится в быстрой КМОП-памяти (DRAM) тракта оцифровки. По двум высокоскоростным каналам сигнал из памяти передается в центральный процессор. Тот, в свою очередь, производит необходимую математическую обработку сигнала и вывод его на ЖК-дисплей.

Программно-аппаратная реализация собственных уникальных технологий позволила LeCroy обеспечить непревзойденную скорость преобразования входного сигнала, выведения и продвижения цифрового потока данных X‑Stream после работы АЦП, а также синхронную и взаимоувязанную работу памяти DRAM и центрального процессора (фактически ПЭВМ) посредством использования шины PCI и 1‑Гбит Ethernet. Технология X‑Stream дает возможность эффективно применять программные средства, написанные при помощи таких средств, как MATLAB, Mathcad, Excel или Visual Basic. В новых осциллографах используется улучшенное, новое поколение — X‑Stream II.

Осциллографы LeCroy WaveRunner (табл. 2) иногда рекламируются как универсальные приборы для ежедневной работы. Но они предназначены, прежде всего, для серьезных научных исследований и разработок в лабораторных условиях.

Таблица 2. Сравнение современных моделей осциллографов LeCroy WaveRunner

Характеристики

LeCroy WaveRunner 6 Zi

LeCroy WaveRunner HRO 6Zi

LeCroy WaveRunner Xi-A

Полоса пропускания

400 МГц – 4 ГГц

400 МГц, 600 МГц

400 МГц – 2 ГГц

Частота дискретизации, Гвыб./с

20 (4 канала)

40 (2 канала)

2 (4 канала)

5 (4 канала)

10 (2 канала)

Максимальный объем памяти на канал, Мбайт

До 64

До 256

До 12,5

Процессор

Intel Core 2 Duo

Частота работы процессора, ГГц

3,2

2,16

Объем ОЗУ, Гбайт

4 (DDR II)

1 (DDR II)

Интерфейс передачи осциллограмм

PCIE×4

PCI

Операционная система

64-битная

32-битная

Диапазон вертикального смещения

±10 В; 20 мВ/дел. – 1 В/дел.

±10 В; 100 мВ/дел. – 1 В/дел.

Особо следует отметить модель осциллографа LeCroy WaveRunner 6100 Zi (рис. 9). Пожалуй, это наиболее распространенная модель 1‑ГГц осциллографа этой группы. Для увеличения конкурентоспособности была введена акция по снижению стоимости этой модели с 839 до 610 тыс. руб., что сделало ее самой дешевой из рассматриваемых осциллографов. Однако нельзя не отметить, что сам осциллограф поставляется без дорогого активного пробника логических сигналов, приобретение которого обойдется в дополнительные 156 тыс. руб. за пробник с 16 логическими сигналами (опция MS250) и 261 тыс. руб. за пробник с 32 логическими сигналами (опция MS500). И это не считая затрат на приобретение других опций осциллографа, без которых реализация многих возможностей приборов этой серии ограничена.

Внешний вид осциллографа LeCroy WaveRunner 6100 Zi

Рис. 9. Внешний вид осциллографа LeCroy WaveRunner 6100 Zi

Осциллографы этой серии имеют оригинальную конструкцию с изменяемой ориентацией дисплея. На рис. 10а показан вид экрана при горизонтальной ориентации дисплея. При этом удобно наблюдать длинные диаграммы и осциллограммы.

 Вид экрана: а) при горизонтальной ориентации дисплея; б) при вертикальной ориентации дисплея

Рис. 10a. Вид экрана: при горизонтальной ориентации дисплея

Простым нажатием кнопки и движением ладони горизонтальная ориентация дисплея может быть заменена на вертикальную (рис. 10б). Это позволяет наблюдать большее число диаграмм и осциллограмм, например аналоговые осциллограммы вместе с 16 или 32 логическими диаграммами (правда, для этого нужен дорогой пробник логических сигналов).

Вид экрана: а) при горизонтальной ориентации дисплея; б) при вертикальной ориентации дисплея

Рис. 10б. Вид экрана: при вертикальной ориентации дисплея

Осциллограф WaveRunner 6000 сохраняет многие миллионы событий, которые могут быть занесены во флэш-память (в том числе внешнюю) для последующего просмотра в любое удобное время. Можно воспроизводить историю сигнала, искать и просматривать сигнал от развертки к развертке и останавливать осциллограмму сигнала в интересующем пользователя месте.

Возможности подобных приборов во многом определяются не только совершенством их аппаратных решений, но и программными средствами (табл. 3). Ориентация новых WaveRunner 6000 Zi на массовую 64‑разрядную операционную систему Windows 7 способствует разработке пакетов программ для осциллографов этой серии. Например, расширенный пакет индивидуального анализа XDEV позволяет использовать системы компьютерной математики MATLAB и Mathcad. Есть пакеты для анализа цифровых фильтров, источников электропитания, джиттера, последовательных шин и др. Разумеется, их нужно приобретать отдельно, и стоят они недешево (например, цена опции XDEV — около 150 тыс. руб.).

Таблица 3. Основные виды работы осциллографов WaveRunner 6000 Zi

Анализ

LeCroy WaveRunner HRO 6Zi

Спектр

Да

Экраны отображения

16

Допусковый контроль

Std

Мощность

Да

Анализ последних данных

SDA II

Анализ джиттера

JitKit

Режим предыстории

Стандартно

Синхронизация по измерениям

Стандартно

Все виды измерения

Без ограничений

WaveScan

Стандартно

Настройка интерфейса

Совместимость с XDEV

Захват редких аномалий

Triggerscan

Скорость обработки

Лучшая при обработке процессов из глубокой памяти

Качество и четкость отображения осциллограмм слабых сигналов зависят от уровня шумов осциллографа и его разрядности. На рис. 11 показано отношение сигнал/шум для осциллографов различного типа и разных фирм с разрешающей способностью 8 бит. Ее можно увеличить с помощью режима усреднения осциллограмм (что снижает скорость вывода). Появились также новейшие осциллографы этой серии с повышенной до 12 бит разрешающей способностью. Однако нужно учитывать неизбежное при этом сужение полосы частот до менее 1 ГГц.

Отношение сигнал/шум при различной чувствительности по вертикали

Рис. 11. Отношение сигнал/шум при различной чувствительности по вертикали

Высокая равномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) осциллографов серии WaveRunner 6000 Zi при отсутствии коррекции позволяет наблюдать четкие осциллограммы быстрых перепадов (рис. 12) и импульсов с предельно малой (для заданной полосы частот) длительностью фронтов. Это способствует получению правдивой формы сложных сигналов. Для осциллографов этой серии предлагаются и специальные опции коррекции АЧХ соединительных кабелей.

Сравнительные осциллограммы быстрого перепада

Рис. 12. Сравнительные осциллограммы быстрого перепада

Пользователи могут также изучить сигнал с помощью БПФ, что обеспечивает спектральный анализ до уровня не более половины частоты дискретизации. Поставляемая программная опция WR6ZI-SPECTRUM (стоимостью около 100 тыс. руб.) позволяет реализовать спектральный анализ так, как это делается в стандартных анализаторах спектра. При этом задаются средняя частота спектра, полоса частот спектрального анализа и разрешение по частоте. Осциллограммы имеют близкий к идеальному вид с автоматическим анализом пиков и их частоты (рис. 13).

Экран при использовании опции анализатора спектра

Рис. 13. Экран при использовании опции анализатора спектра

Анализ джиттера и временных параметров сигналов позволяет измерять период, длительность и другие параметры. Результаты могут быть представлены в виде статистики, гистограмм или временных графиков. Широко представлены опции анализа и тестирования шин (табл. 4).

Таблица 4. Типы анализируемых шин

Интерфейсы

Декоди-рование

Синхронизация

ProtoBUS

ProtoSinc

QualiPHY

Общего
назначения

I2C

+

+

+

 

 

SPI

+

+

+

 

 

I2S

+

+

+

 

 

UART, RS-232

+

+

+

 

 

Автомобильные

CAN

+

+

+

 

 

LIN

+

+

+

 

 

FlexRay

+

+

+

 

 

Военные/
авиационные

ARINC 429

+

 

+

 

 

MIL-STD-1533

+

+

+

 

 

Мобильные

DigRF v4

+

 

+

 

 

MIPI-D-PHY

+

 

 

 

+

Системы
вычисления/
передачи/
хранения
данных

8b/10b

+

+

 

 

 

Fibre Chanel

+

 

 

+

 

SATA (1,5 и 3,5 Гбит/с)

+

+

 

+

+

SAS (1,5 и 3,5 Гбит/с)

+

 

 

+

 

PCIe(Gen 1)

+

 

+

+

+

USB 2.0

+

 

+

+

+

LPDDR2

 

 

 

 

+

DDR2

 

 

 

 

+

Ethernet

 

 

 

 

+

Всего поставляется около 20 опций расширения возможностей осциллографов WR6000Zi.

В программном обеспечении этих цифровых осциллографов появилась новая функция — LabNotebook, позволяющая создавать, корректировать и отправлять отчеты на основе полученных осциллограмм прямо из ПО осциллографа. Ранее для этого нужно было использовать три различных ПО на основе ОС Windows. Мощная система синхронизации позволяет исследовать различные импульсные и телевизионные сигналы и сложные последовательности из них, выделять их особенности и по ним запускать развертку.

Приборы обеспечивают различные виды математической обработки сигналов, курсорные измерения, включение в работу новых функций и методов анализа, работу совместно с языком программирования Visual Basic, электронными таблицами Excel и системами компьютерной математики MATLAB, Mathcad и др. Они позволяют встраивать их в процесс обработки сигнала осциллографом (опция WR6ZI-XDEV стоимостью 149 тыс. руб.).

Дистанционное управление осциллографами может быть настроено пользователем. Используя стандартный язык команд компании LeCroy или LabView, осциллографы можно соединять с любым программным обеспечением. Команды Active-X Microsoft также можно использовать для интеграции в большинство программ на основе Windows. Дистанционное управление можно осуществлять через стандартную сеть 10/100Base-T или дополнительный интерфейс КМОП.

Таким образом, вместе с примененными опциями осциллографы WaveRunner 6000 Zi представляют собой мощную и многофункциональную систему анализа сигналов и тестирования различных компонентов и узлов радиоэлектронной аппаратуры. Иногда приборы серии 6000 рекламируют как приборы для повседневной работы. Последнее явно ошибочно. Потребляемая от сети мощность у этих приборов достигает 600 Вт и самая большая среди осциллографов данной группы. Она, к примеру, превышает мощность, потребляемую осциллографами схожего класса Tektronix, более чем вдвое. Это означает, что нужно будет применять более мощные вентиляторы для охлаждения. Необходимо также большое свободное пространство сзади и по бокам осциллографа, что увеличивает занимаемое им место на рабочем столе. К сожалению, в описании (Datasheet) приборов последнее явно не оговорено.

В конечном итоге все это на 10 °C снижает максимальную рабочую температуру приборов, которая лежит в диапазоне от +5 до +40 °C. Учитывая растущую стоимость электрической энергии, найдется не так уж много пользователей, готовых разместить на своем рабочем столе 600‑Вт осциллограф, пусть и с очень большими возможностями. Кстати, для повседневного применения они явно избыточны и дороги, с учетом высокой стоимости опций прибора.

 

Осциллографы фирмы LeCroy с высоким разрешением

Большинство обычных цифровых осциллографов имеют разрядность 8 бит, то есть число уровней квантования сигнала равно 256 (28). При этом ступеньки осциллограмм видны на глаз. Серия осциллографов высокого разрешения HRO6000 имеет исходную разрядность 12 бит, то есть у них число ступенек квантования равно 4096 (212), и сами ступеньки имеют в 16 раз меньшую амплитуду. Но приборы отличаются более узкими полосами частот — 400 и 600 МГц. В остальном они подобны моделям серии WR6000Zi.

Новейшие серии осциллографов с высоким разрешением HDO4000 и HDO6000 (High Definition Oscilloscope) во многом лишены недостатков предшествующих моделей серии WR6000Zi. Приборы HDO6000 имеют полосу частот 350, 500 и 1000 МГц и 56 автоматических измерений [8].

Старшая модель HDO6104 (рис. 14) имеет полосу частот в 1 ГГц и при огромной памяти в 50 Мбайт укладывается в ценовой диапазон до 1 млн руб. Потребляемая мощность уменьшена в 2–3 раза и составляет от 200 до 350 Вт (большие значения при питании всех периферийных устройств, включая пробники, что редко встречается на практике). Для расширения возможностей приборов поставляется свыше 30 опций и свыше 20 пробников и усилителей.

Новейший осциллограф HDO6104

Рис. 14. Новейший осциллограф HDO6104

Выпускается и более дешевая серия 2‑ и 4‑канальных осциллографов с 12‑битным разрешением — HDO4000 с полосой частот от 200 до 1000 МГц и более простым встроенным компьютером. Внешне такой прибор подобен моделям серии HDO6000. Старшая 1‑ГГц модель HDO4104 с памятью осциллограмм 25 Мбайт/кан. (50 Мбайт при объединении каналов) и частотой дискретизации 2,5 Гвыб./с (5 Гвыб./с при объединении каналов) обойдется пользователю в 744 тыс. руб.

У осциллографов с высоким 12‑битным разрешением шаг дискретизации (квантования) по вертикали оказывается в 16 раз меньше, чем у обычных осциллографов с 8‑битным. Это существенно повышает достоверность отображения слабых сигналов, что и представлено на рис. 15, где сетка показывает шаг дискретизации сигнала. В приборах используется обновленная технология X‑Stream II, что позволило сохранить высокую скорость обновления осциллограмм, несмотря на резкое повышение числа отсчетов и снижение частоты дискретизации.

Отображение слабого сигнала осциллографом: а) с 8-битным разрешением; б) с 12-битным разрешением

Рис. 15. Отображение слабого сигнала осциллографом: а) с 8-битным разрешением; б) с 12-битным разрешением

Все описанные здесь осциллографы оснащены сенсорным дисплеем, поэтому ими можно управлять, прикасаясь к экрану палочкой-стило или даже пальцем (рис. 16). Например, можно, выделив прямоугольником фрагмент осциллограммы, тут же, указав на него пальцем, получить детальную осциллограмму нужного фрагмента.

Рис. 16. Работа с сенсорным экраном

Рис. 16. Работа с сенсорным экраном

Высокое разрешение позволяет наблюдать четкие обычные осциллограммы без заметных следов дискретизации и ее шума (рис. 17). Другими словами, можно наблюдать истинное изображение и детально анализировать осциллограммы с выделением и просмотром отдельных их участков системой WaveScan. Программное увеличение разрешения ERes увеличивает разрядность квантования до 15 бит.

Просмотр четырех обычных осциллограмм

Рис. 17. Просмотр четырех обычных осциллограмм

Высокое разрешение полезно и при использовании различных программных опций, например тестирования шин или анализа джиттера. На рис. 18 приведен пример применения опции анализа последовательных шин с выделением сигнала данных.

Тестирование последовательной шины

Рис. 18. Тестирование последовательной шины

Осциллографы с высоким разрешением открывают новые возможности в проведении спектрального анализа методом быстрого преобразования Фурье. Например, наряду с наблюдением обычного спектра с высоким разрешением они позволяют наблюдать спектрограммы сигналов, даже трехмерные (рис. 19). Спектральный анализ в модели HDO6000 встроенный, в младшей модели HDO4000 он реализован опционально.

Просмотр трехмерной спектрограммы и обычного спектра

Рис. 19. Просмотр трехмерной спектрограммы и обычного спектра

У новых осциллографов также есть настройка спектрального анализа, подобная настройке обычного анализатора спектра (рис. 20). Малый уровень шумов и большое число отсчетов анализируемых осциллограмм существенно увеличивают динамический диапазон, разрешение и чувствительность программного анализатора спектра. Это позволяет использовать его для поиска слабых сигналов и помех.

Просмотр спектра как в обычном анализаторе спектра

Рис. 20. Просмотр спектра как в обычном анализаторе спектра

Еще одна новая серия приборов — WavePro 700 ZiA (рис. 21) — имеет более «солидные» размеры (355x467x289 мм) и существенно больший вес (до 18,4 кг). Потребляемую мощность удалось сохранить на уровне 600 Вт. Правда, полоса частот у новых приборов значительно возросла и составляет от 1,5 до 6 ГГц, так что эти приборы перекочевали в более высокую категорию лабораторных высококачественных осциллографов.

Осциллограф LeCroy WavePro 700 ZiA

Рис. 21. Осциллограф LeCroy WavePro 700 ZiA

 

Цифровые осциллографы Rohde&Schwarz

Сенсацию на рынке приборов со стоимостью порядка миллиона рублей произвели осциллографы с закрытой архитектурой RTO европейской фирмы Rohde&Schwarz (www.rohde-schwarz.ru) (рис. 22) [9, 10]. Благодаря применению быстрых аппаратных средств для реализации основных функций и усовершенствованной архитектуры удалось получить скорость обновления осциллограмм до 1 млн/с и существенно уменьшить время «простоя» и время управления осциллографом. Приборы имеют хотя и не рекордный, но малый уровень собственных шумов и повышенную (особенно при объединении каналов) частоту дискретизации (до 80 Гвыб./с), а также большую память осциллограмм (до 80 Мбайт при объединении каналов). В них использован сверх-быстрый одноядерный АЦП с частотой квантования 10 ГГц. Старшие модели осциллографов имеют полосу частот до 4 ГГц.

Внешний вид 1-ГГц осциллографа R&S RTO 1014

Рис. 22. Внешний вид 1-ГГц осциллографа R&S RTO 1014

На рис. 23 показан экран осциллографа с демонстрацией «цифрового люминофора», гистограммы и меню различных операций. Прибор позволяет строить как обычные осциллограммы и спектры, так и цветные спектрограммы, имеет в режиме спектрального анализа высокое разрешение и высокую чувствительность. Реализована синхронизация в реальном масштабе времени [10].

Экран осциллографа R&S RTO 1014 с демонстрацией «цифрового люминофора», гистограммы и меню различных операций

Рис. 23. Экран осциллографа R&S RTO 1014 с демонстрацией «цифрового люминофора», гистограммы и меню различных операций

Реализация быстрого преобразования Фурье в части требующих высокой скорости операций также реализована на аппаратном уровне, что позволило получить поистине быстрое преобразование без кавычек и использовать при этом технологию «цифрового люминофора» при проведении спектрального анализа и построении спектрограмм. Высокая частота дискретизации и большой объем памяти осциллограмм повышают эффективность быстрого преобразования Фурье. Комплексное БПФ в осциллографах осуществляется в диапазоне частот от –fS/2 до +fS/2. В этой полосе и сосредоточены шумы БПФ. Ограничение полосы верхних частот осциллографа до значений fВ < fS/2 уменьшает полосу частот спектрального анализа, снижает шумы и повышает чувствительность при спектральном анализе (рис. 24).

Выбор полосы частот спектрального анализа

Рис. 24. Выбор полосы частот спектрального анализа

При подключении пробника логических сигналов осциллографы RTO позволяют воспроизводить высококачественные осциллограммы одновременно аналоговых и логических сигналов (рис. 25).

Совместное наблюдение аналоговых и логических (цифровых) сигналов

Рис. 25. Совместное наблюдение аналоговых и логических (цифровых) сигналов

Осциллографы RTO имеют обширные возможности в анализе и тестировании последовательных шин. Окно с примером такого тестирования показано на рис. 26.

Окно с примером тестирования последовательных шин

Рис. 26. Окно с примером тестирования последовательных шин

В последние годы происходит взрывное увеличение числа СВЧ радиокоммуникационных устройств — сотовых, мобильных и спутниковых телефонов и систем связи, коммуникаторов, планшетных и карманных компьютеров с беспроводными средствами связи и т. д. Здесь счет идет на сотни миллионов изделий, находящихся в использовании. В них широко применяется комплексная высокоскоростная фазовая I/Q манипуляция, модуляция и демодуляция (рис. 27).

Стандартный I/Q приемник с точками тестирования A, B и С

Рис. 27. Стандартный I/Q приемник с точками тестирования A, B и С

Осциллографы R&S RTO позволяют захватывать I/Q сигналы и имеют опцию RTO-R11 тестирования I/Q сигналов [11] с применением системы компьютерной математики MATLAB [12]. Настройка интерфейса проста и наглядна (рис. 28).

Интерфейс окна для настройки опции тестирования ВЧ и СВЧ I/Q сигналов

Рис. 28. Интерфейс окна для настройки опции тестирования ВЧ и СВЧ I/Q сигналов

Пример работы с опцией RTO-R11 показан на рис. 29. На осциллограф был подан I/Q сигнал от генератора R&S SMBV100A. Детали настройки осциллографа и генератора, а также MATLAB-фрагменты программ для обеспечения компьютерного анализа осциллограмм описаны в [11].

Звездная диаграмма, осциллограмма и спектр I/Q сигнала, полученные с помощью опции RTO-R11

Рис. 29. Звездная диаграмма, осциллограмма и спектр I/Q сигнала, полученные с помощью опции RTO-R11

Осциллограф RTO позволяет строить так называемые расцвеченные звездные диаграммы, отражающие положение фазовых состояний на I/Q плоскости с учетом нестабильности (джиттера) точек фазовых состояний. Такая диаграмма показана на рис. 30. Ее использование значительно облегчает тестирование и анализ I/Q сигналов и применяющих их устройств.

Расцвеченная звездная диаграмма

Рис. 30. Расцвеченная звездная диаграмма

Если бюджет пользователя явно меньше миллиона рублей, то ему предоставляется возможность приобретения младшей модели осциллографов фирмы Rohde&Schwarz.

 

Заключение

Опытный пользователь не должен доверять односторонним оценкам осциллографов отдельных фирм — даже хорошо известных и надежных. Только сравнение различных моделей определенной категории (например, частотной или ценовой) позволяет выбрать наиболее подходящий прибор. Порою такое сравнение открывает пользователю неизвестные ему возможности приборов и их серьезные недостатки, например повышенную мощность электропитания или неприемлемо большой вес приборов. Однозначного решения о приобретении того или иного прибора нет.

Самыми легкими и малогабаритными осциллографами среднего класса являются Tektronix DPO/MSO 5000. Встроенный анализатор спектра радиочастот есть пока только в осциллографе Tektronix MDO 4000. Высокое разрешение и обширный набор функций имеют приборы LeCroy серий HDO 4000 и 6000. Из приборов фирмы Agilent нельзя не отметить осциллографы InfiniiVision 4000 X, содержащие пять приборов в одном элегантном корпусе. Наконец, высочайшую скорость обновления осциллограмм и обширные возможности в проведении спектрального анализа и наблюдения I/Q сигналов имеют осциллографы фирмы Rohde&Schwarz класса RTO с закрытой архитектурой.

Ни один из приборов не сочетает все эти качества, поэтому сделать вывод о том, на какую модель осциллографа потратить миллион рублей, пользователь должен сам

Литература
  1. Дьяконов  В. П. Сверхскоростная твердотельная электроника. М.: ДМК-Пресс, 2013.
  2. Афонский  А. А., Дьяконов В. П. Электронные измерения в нанотехнологиях и микроэлектронике. М.: ДМК-Пресс, 2011.
  3. Дьяконов  В. П. Осциллографы фирмы Tektronix открытой архитектуры // Компоненты и технологии. 2010. № 2–3.
  4. Дьяконов  В. П. Компьютерная математика. Теория и практика. М.: Нолидж, 2001.
  5. Дьяконов  В. П.Осциллографы фирмы Tektronix закрытой архитектуры // Компоненты и технологии. 2009. № 12. 2010. № 1.
  6. Дьяконов  В. П. Многодоменные осциллографы Tektronix MDO4000 // Компоненты и технологии. 2013. № 2. 2013. № 3–5.
  7. Дьяконов  В. П. Новейшая серия X осциллографов Agilent: нырок «вниз» // Компоненты и технологии. 2012. № 2.
  8. Корнеев  С. А. Осциллографы высокого разрешения LeCroy HDO4000 и HDO6000. ОАО «Прист», 2011.
  9. Дьяконов  В. П. Новые осциллографы европейских компаний // Компоненты и технологии. 2011. № 11.
  10. Цифровые запоминающие осциллографы R&S RTO. Rohde&Schwarz, 2012.
  11. Об использовании программного I/Q интерфейса осциллографа R&S RTO в пакете MATLAB. Указания по применению. Rohde&Schwarz, 2013.
  12. Дьяконов  В. П. MATLAB и Simulink для радиоинженеров. М.: ДМК-Пресс, 2011.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

?>