Новейшие цифровые осциллографы компании Keysight InfiniiVision серии 6000 X и Infiniium серии S: первым делом гигагерцы…

Cовременный осциллограф — один из самых массовых и широко распространенных приборов. Зачастую он в состоянии 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 разности уровней ступеней квантования, повышение четкости и точности и, что не менее важно, увеличение динамического диапазона.
• Расширение функциональных возможностей путем включения в них других приборов: логического анализатора, анализатора спектра, цифрового вольтметра, генератора и т. д.
• 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 Infiniium серии S высокой четкости имеют более скромную разрядность в 10 бит (1024 ступени дискретизации, 12‑битовое разрешение поддерживается на программном уровне — high res mode), но максимальная полоса частот доведена до 8 ГГц, а осциллографы серии 6000 X при умеренной стоимости и частотном диапазоне до 6 ГГц имеют традиционную для семейства InfiniiVision высокую степень интеграции: шесть приборов в одном [4, 5].

Общие характеристики осциллографов Keysight серии 6000 X и серии S

В осциллографы серии 6000 X может быть встроено сразу шесть приборов:

• собственно широкополосный (до 6 ГГц) цифровой запоминающий осциллограф реального времени;
• 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 с сумматором.

Серия S (рис. 1) представляет собой приборы, предназначенные для лабораторных измерений и имеющие высокое разрешение (разрядность АЦП — 10 бит аппаратно) и открытую архитектуру. Они задают новый стандарт для высококачественных запоминающих осциллографов типа DSO (только с аналоговыми входами) и MSO (смешанных сигналов), полоса частот достигает 8 ГГц (табл. 1) [4]. По вертикали чувствительность составляет от 1 мВ/дел. до 5 В/дел. (при 50‑омном входе до 1 В/дел.). Уровень собственного шума — 90 мкВ при чувствительности 1 мВ/дел. и полосе 1 ГГц. Во всей полосе частот чувствительность до 2 мВ/дел. поддерживается аппаратно. Диапазон времен развертки от 5 пс/дел. до 20 с/дел. Потребляемая мощность 375 Вт, вес 12 кг, размеры корпуса 33×43×23 см.

Рис. 1. Внешний вид осциллографов высокой четкости серии Infiniium S

В стандартной комплектации устройства имеют глубину памяти осциллограмм 50 Мточек (100 Мточек при объединении каналов) и 800 Мточек (при дополнительной опции расширения памяти). Предусмотрен сегментированный режим захвата данных, что создает еще большую эффективную глубину памяти. Осциллографы серии S обладают усовершенствованной архитектурой на базе материнской платы с 4‑ядерным процессором Intel i5 и тактовой частотой 3 ГГц. Объем оперативной памяти 8 Гбайт с операционной системой Windows 7. Поддерживают высочайшую скорость обработки данных и снабжены твердотельным жестким диском (более 250 Гбайт) для хранения встроенных и внешних программ и ускоренной загрузки. Впечатляющий экран (12″, или 31,8 см, по диагонали) с разрешением 1024×768 точек отличается высокой достоверностью визуализации осциллограмм и удобным сенсорным управлением. Приборы оснащены шестью портами (два на передней панели) универсальной последовательной USB 2.0/3.0 со скоростью 200 Мбит/с, портом 1000Base-T Ethernet локальной сети и т. д. Золото-платиновые прецизионные BNC-разъемы осциллографа имеют гарантированную полосу частот, превышающую 8 ГГц.

Осциллографы Keysight 6000 X (рис. 2а, б) внешне очень напоминают приборы серии 4000 X [3], также имеют закрытую архитектуру со встроенной операционной системой и удобный форм-фактор — глубина всего 15 см. Они занимают мало места на рабочем столе, оснащены емкостным сенсорным дисплеем с размером диагонали 12,1″ (31 см) и разрешением 800×600 точек (рис. 2в). У новых приборов есть голосовое управление, в том числе и на русском языке. Габариты приборов 425×288×148 мм, вес 6,8 кг (в упаковке 11,3 кг), потребляемая мощность снижена до 200 Вт.

Рис. 2. Вид на осциллограф Keysight 6000 X:
а) вид спереди;
б) вид сбоку;
в) внешний вид осциллографа

Слева (рис. 2) имеется панель с разъемами для подключения внешних устройств: входа/выхода вспомогательных сигналов Aux и 10 МГц опорного сигнала Ref, последовательной шины USB (еще два разъема находится на передней панели), локальной сети LAN, низкоскоростной последовательной шины RS‑232 (LINE) и внешнего дисплея VGA.

Осциллографы имеют максимальную скорость обновления до 450 000 осцилл./с и память осциллограмм 4 Мбайт c возможностью сегментированного захвата. В базовых моделях полоса приборов составляет 1 ГГц и расширяется опциями до 6 ГГц.

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

Параметры аналоговых каналов

Приборы серии 6000 X имеют 2 или 4 идентичных канала аналоговых сигналов, серии S — только 4 канала. Так, у последних 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 S на печатной плате

Поскольку каналы могут работать с различными типами входов (50 Ом иди 1 МОм), разными фильтрами и пробниками, полоса пропускания каналов может принимать разнообразные 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 серии 6000 X на меандр с фронтами 130 пс

От широкополосных трактов каналов аналоговых сигналов естественно ожидать высокого уровня собственных шумов. Однако Keysight 6000 X имеют довольно низкий уровень собственных шумов (около 115 мкВ СКЗ при коэффициенте отклонения 1 мВ/дел., а у серии S даже 90 мкВ СКВ при частоте сигнала 1 ГГц и входном сопротивлении 50 Ом) — рис. 5. Предшествующие модели серии 4000 X не имели функции построения гистограмм распределения шумов и джиттера. Такие функции всегда были свойственны более высокопроизводительным осциллографам, например семейству Infiniium и новой серии S. Теперь и новая серия приборов 6000 X из семейства InfiniiVision дополнена столь важной и полезной опцией. Так, гистограмма на рис. 5 наглядно показывает, что распределение шума близко к нормальному распределению.

Рис. 5. Собственный шум канала вертикального отклонения и микрогистограмма его распределения осциллографов серии 6000 X

Просмотр аномалий сигнала

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

Рис. 6. Экран осциллографа серии S с функцией Zoom

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 зоны запуска — например, аномальные или просто особые участки осциллограмм и запускать с них развертку простым касанием пальца руки (рис. 8). Таким образом реализуется быстрая идентификация и отображение таких участков.

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

В осциллографах серии 6000 X c помощью опции DSOX6JITTER возможен базовый 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 гистограмм, спектра и таблицы автоматических измерений

Автоматические измерения и математические функции

К отличиям новых осциллографов следует отнести расширенные возможности выполнения автоматических измерений и математической обработки осциллограмм. Приборы серии 6000 X имеют 56 типов автоматических измерений (рис. 10) с одновременным выводом до 10 измерений. Есть около двух десятков математических операций и функций, включая быстрое преобразование Фурье, дифференцирование, интегрирование и другие.

Рис. 10. Выбор метода автоматических измерений

На рис. 11 показано 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 гистограммы (горизонтальные и вертикальные).

Послесвечение и цветовая градация сигналов

В осциллографах серии 6000 X заметно усилена роль аналогового послесвечения — персистенции или «цифрового фосфора». Предусмотрено монохромное и цветное послесвечение (рис. 12). Время послесвечения может быть нулевым, регулируемым или бесконечным. Его выбирает пользователь в зависимости от решаемой задачи.

Рис. 12. Автоматические и статистические измерения импульсов с меняющейся скважностью с применением цветного послесвечения

Послесвечение часто применяется для обнаружения коротких и нестационарных аномалий сигналов (рис. 13).

Рис. 13. Анализ джиттера переднего фронта импульсов с применением цветного послесвечения и построением гистограммы

Цветное послесвечение не всегда полезно, так как часто демонстрирует несуществующие особенности сигналов. В некоторых случаях, в частности при просмотре телевизионных сигналов, более полезным оказывается монохромное послесвечение (рис. 14).

Рис. 14. Просмотр телевизионного сигнала с монохромным послесвечением

Осциллографы серии 6000 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 эффективно применяются маски из шестиугольников (рис. 15) и других геометрических фигур. Большое число типов масок создается с помощью опции задания масок, по существу являющейся 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, задавая 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 6000 X и серии S применено стандартное БПФ для получения частотного спектра исследуемых сигналов (рис. 17). Оно находится в разделе математических операций и функций. 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.

При спектральном анализе возможны курсорные и автоматические измерения. Пики спектра могут автоматически находиться и помечаться маркерами (до 11 маркеров). При БПФ используются четыре распространенных типа окон: Ханнинга, с плоской вершиной, прямоугольное и Блэкмана — Харриса (у приборов серии S добавлено окно Хамминга и возможность автоматической маркировки пиков (рис. 17), есть возможность вывода 2D- и 3D-спектрограмм).

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

Возможности 6000 X 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 6000 X не приходится. Тем не менее при допустимой полосе разрешения спектральные линии могут иметь вид вертикальных отрезков прямых.

Возможно применение цветовой градации и спектра (рис. 18). Она полезна в том числе для выделения режимов отображения спектра: max hold, min hold, average. Предусмотрено построение гистограммы выделенного участка спектра.

Рис. 18. Спектральный анализ с применением цветовой градации (осциллограф серии 6000 X)

Интеграция шести приборов в одном — следование славной традиции семейства InfiniiVision

Работа с логическим анализатором параллельных шин

Работа с логическим анализатором в осциллографах серии 6000 X подобна работе с этим средством осциллографов Keysight 4000 X, а именно моделей MSO. К прибору необходимо подключить кабель многоканального пробника цифровых (логических) сигналов (рис. 19). К тестируемому устройству подключается до 16 входов логических сигналов. Максимальная тактовая частота пробника 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), а также для построения 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 стандартным 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.

Некоторые шины используют высокоскоростные дифференциальные сигналы с малыми перепадами напряжения. Такие сигналы лучше обычных защищены от помех, и шины с ними меньше излучают. Однако они широкополосные и требуют для просмотра осциллографы с большой полосой. Данную полосу обеспечивают приборы серий S и 6000 X (рис. 21). Наряду с дифференциальными пробниками для наблюдения дифференциальных сигналов можно использовать попарно обычные аналоговые входы с операцией вычисления разности сигналов.

Рис. 21. Осциллограммы дифференциальных сигналов последовательных данных

Для более полного анализа необходимо приобретение соответствующей опции, как правило, для каждой используемой шины (рис. 22). Естественно, это заметно удорожает тестирование устройств с последовательными шинами. Но надо отметить, что на практике применяются 1 или 2 шины и с сигналами различных шин можно ознакомиться по справке или с помощью специального USB-модуля.

Рис. 22. Анализ последовательной шины CAN

На рис. 23 показано окно анализа широко распространенной последовательной шины USB 2.0. Эта шина использует дифференциальные сигналы данных отдельно для передачи и приема данных.

Рис. 23. Анализ последовательной USB-шины

Окно анализа еще одной современной шины — FlexRay — представлено на рис. 24. Из приведенных примеров видно, что приложения 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.

Рис. 24. Анализ последовательной шины по протоколу FlexRay

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. 25 показано построение 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. 25. Глазковая диаграмма скоростной линии последовательной передачи данных на осциллографах серии 6000 X

На рис. 26 показано специальное приложение для тестирования качества USB-сигнала, составляющей частью которого является глазковая диаграмма. Она отличается высокой четкостью и наглядностью.

Рис. 26. Глазковая диаграмма последовательной шины USB

Встроенный двухканальный генератор стандартных и произвольных сигналов

Особенно полезной оказалась интеграция многокомпонентного осциллографа с генератором сигналов в серии 6000 X. Остальные пять компонентов осциллографа являются получателями информации. Генератор принципиально отличен от них тем, что представляет собой источник информации (сигналов) и дополняет другие компоненты. Это превращает прибор в мощную систему по исследованию разно-образных устройств.

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

Предусмотрены следующие типовые формы сигналов: sine, square, ramp, pulse, DC, noise, sine cardinal (sinc), exponential rise, exponential fall, cardiac, Gaussian pulse и arbitrary (произвольный — устанавливаемый пользователем (рис. 27). Возможны многочисленные типы модуляции одного сигнала другим сигналом.

Рис. 27. Окно установки и редактирования сигнала произвольной формы осциллографа 6000 X

Опции цифрового вольтметра и частотомера

С помощью опций можно оснастить осциллографы цифровым вольтметром DVM и 10‑разрядным частотомером. На рис. 28 их окно показано справа от осциллограммы сигнала от генератора произвольных сигналов (рис. 29). Цифровой вольтметр измеряет среднеквадратическое значение напряжения от выбранного источника сигнала.

Рис. 28. Окно цифрового вольтметра и частотомера вместе с осциллограммой

Аудиосредства осциллографов

Внимательно присмотревшись к передней панели 6000 X, можно заметить отверстие для микрофона и небольшую решетку для динамика в правом верхнем углу (рис. 29). Благодаря встроенному микрофону и динамику осуществляется речевое (голосовое) управление осциллографом, в том числе на русском языке.

Рис. 29. Аудиосредства осциллографа серии 6000 X

Пробники и другие средства

Обычно осциллографы комплектуются пассивными пробниками N2873A с полосой частот до 500 или 700 МГц. Поставляется свыше 100 типов активных пробников (широкополосных — рис. 30, дифференциальных, высоковольтных, токовых и т. д.). Некоторые из них оснащены средствами «свободные руки» и существенно расширяют возможности приборов.

Рис. 30. Активный пробник с подсветкой места подключения (поставляется с полосой частот 0,5–6 ГГц)

Для 10‑разрядных осциллографов высокой четкости, таких как серия S, специально разработан токовый пробник N2820A (для малых токов — от 50 мкА до 5 А), особенно удобный для измерения токов интегральных микросхем (рис. 31).

Рис. 31. Токовый пробник для малых токов

Осциллографы могут оснащаться разнообразным программным обеспечением, как фирменным, так и сторонних организаций. Они могут работать с программами компьютерной математики, например мощной матричной системой MATLAB [6] (рис. 32). Особый интерес представляет установка MATLAB на встроенный в осциллографы открытой архитектуры серии S твердотельный диск (SSD). Это обеспечивает естественную интеграцию MATLAB с прибором и существенное повышение скорости работы, особенно при имитационном моделировании с помощью пакета Simulink.

Рис. 32. Трехмерная цветная MATLAB-диаграмма сегментированной памяти

Осциллографы допускают работу с различным внешним оборудованием — настольными и переносными компьютерами, принтерами, клавиатурой, мышью, внешними дисплеями и др. К ним можно подключать 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. 33).

Рис. 33. Работа с внешним дисплеем большого размера

Заключение

Выпуском новейших широкополосных, высокочастотных и многокомпонентных осциллографов 6000 X и 10‑разрядных осциллографов высокой четкости серии S компания Agilent Technologies, накануне переименования в Keysight Technologies, подтвердила свою позицию 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.