Осциллографы Keysight серии S — стандарт широкополосных осциллографов высокой четкости
Основные параметры осциллографов серии S
У осциллографов Keysight даже одна буква в названии может означать смену класса или серии приборов, Например, новейшие 6000X — это осциллографы с закрытой архитектурой. Серия S (рис. 1) представлена как лабораторные приборы с высоким разрешением (10 бит аппаратно, вместо прежних 8 бит, 12 бит в режиме HiRes), высокой четкостью и с открытой архитектурой. Они 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 (таблица) [4]. Все приборы имеют частоту дискретизации 10 ГГц для всех каналов и 20 ГГц при спаривании каналов. Чувствительность приборов по вертикали от 1 мВ/дел. до 5 В/дел. (при 50‑омном входе до 1 В/дел.).
Тип |
Полоса |
Время нарастания, пс |
Каналов |
Частота дискретизации, ГГц |
Память/канал, Мбайт |
DSOS054A |
500 МГц |
860 |
4 |
10/20 |
50 |
DSOS104A |
1 ГГц |
430 |
4 |
10/20 |
50 |
DSOS204A |
2 ГГц |
216 |
4 |
10/20 |
50 |
DSOS254A |
2,5 ГГц |
177 |
4 |
10/20 |
50 |
DSOS404A |
4 ГГц |
108 |
4 |
10/20 |
50 |
DSOS604A |
6 ГГц |
71,8 |
4 |
10/20 |
50 |
DSOS804A |
8 ГГц |
53,8 |
4 |
10/20 |
50 |
MSOS054A |
500 МГц |
860 |
4/16 |
10/20 |
50 |
MSOS104A |
1 ГГц |
430 |
4/16 |
10/20 |
50 |
MSOS204A |
2 ГГц |
216 |
4/16 |
10/20 |
50 |
MSOS254A |
2,5 ГГц |
177 |
4/16 |
10/20 |
50 |
MSOS404A |
4 ГГц |
108 |
4/16 |
10/20 |
50 |
MSOS604A |
6 ГГц |
71,8 |
4/16 |
10/20 |
50 |
MSOS804A |
8 ГГц |
53,8 |
4/16 |
10/20 |
50 |
Во всей полосе частот поддерживается чувствительность до 2 мВ/дел. 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.
Осциллографы оснащены шестью портами (два на передней панели) универсальной последовательной USB 2.0/3.0 со скоростью 200 Мбит/с, портом Ethernet локальной сети, портом внешнего дисплея. Они размещены на правой стороне корпуса (рис. 1б). Золото-платиновые прецизионные BNC-разъемы осциллографа имеют гарантированную полосу частот, превышающую 8 ГГц. Основные параметры приборов представлены в таблице. Стоимость младших моделей даже ниже, чем у подобных приборов более ранних серий.
Эти приборы имеют сегментированную память осциллограмм большого объема — 50 Мточек (100 Мточек при объединении каналов) в стандартном варианте и 800 Мточек с дополнительной опцией расширения памяти.
Сенсорный экран
Огромный экран (12 дюймов, или 31,8 см, по диагонали) с разрешением 1024×768 точек обеспечивает высокую достоверность визуализации осциллограмм и удобное сенсорное управление прибором (рис. 2).
Встроенный персональный компьютер
Осциллографы серии S имеют усовершенствованную открытую архитектуру с встроенным персональным компьютером на базе материнской платы с 4‑ядерным процессором Intel Core i5 с тактовой частотой 3 ГГц и объемом оперативной памяти 8 Гбайт. Операционная система встроенного компьютера Windows 7. Компьютер обеспечивает высочайшую скорость обработки данных и оснащен твердотельным жестким диском (более 250 Гбайт) для хранения встроенных и внешних программ и ускоренной загрузки. При необходимости жесткий диск можно сменить (рис. 3).
Интегральная технология приборов
Все приборы имеют два или четыре идентичных канала аналоговых сигналов. Каждый оснащен входом, регуляторами чувствительности и смещения, аттенюатором, функциями ограничения рабочей полосы частот (рис. 4а) 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. 4б. Микросхемы изготовлены по технологии CMOS 65 мкм и BiCMOS 130 мкм [3].
Широкая полоса частот осциллографов и очень малый уровень джиттера достигнуты за счет применения сверхскоростных BiCMOS интегральных микросхем с разрешением 130 мкм (рис. 4в). Высокоточный и высокостабильный задатчик времени и блок цифровой обработки сигналов также выполнены на интегральных микросхемах (рис. 5).
Низкие шумы и малое время нарастания
От широкополосных трактов каналов аналоговых сигналов естественно ожидать высокого уровня собственных шумов. Однако Keysight серии S имеют довольно низкий уровень собственных шумов, до 90 мкВ СКВ при частоте сигнала 1 ГГц, входном сопротивлении 50 Ом и чувствительности 1 мВ/дел. (рис. 6).
Осциллографы старших моделей серии S имеют очень малое время нарастания переходной характеристики, уверенно преодолевшее барьер в 0,1 нс (100 пс). Осциллограмма перепада с очень малой длительностью показывает, что реальная длительность перепада синусоидального осциллографа достигает 54,65 пс, причем колебания после перепада практически отсутствуют. Реальный уровень джиттера удалось уменьшить в 100 раз (рис. 7).
Автоматические измерения и математика
Отличительной чертой новых осциллографов являются расширенные возможности проведения автоматических измерений и математической обработки осциллограмм. Приборы серии S имеют 56 типов автоматических измерений с возможностью вывода одновременно до 10 измерений и задания до 20 измерений. Предусмотрено около двух десятков математических операций и функций, включая быстрое преобразование Фурье, дифференцирование, интегрирование и др. (рис. 8).
Большой экран и высокая четкость осциллограмм позволяют в пределах одного экрана размещать большое число разнообразных осциллограмм (рис. 9). Это увеличивает информационную насыщенность экрана и позволяет более наглядно и точно описывать сложные исследуемые процессы.
В осциллографе реализована удобная «лупа времени», позволяющая расширять малый участок обзорной осциллограммы и наблюдать его в расширенном виде. На рис. 10 это показано на примере обзорной осциллограммы ВЧ-импульсов, которая выглядит как широкая полоска, по виду которой невозможно оценить форму импульса (зато на расширенной осциллограмме она отчетливо видна).
Важное место в современных осциллографах занимает математическая обработка сигналов, например получение их спектра в новой частотной области методом быстрого преобразования Фурье (БПФ). На рис. 10 в правой части экрана показан спектр исследуемого сигнала, полученный с помощью БПФ изначально (без дополнительной настройки).
БПФ и спектральный анализ
При выполнении БПФ используются следующие типы окон: Hanning, flattop, rectangular, Blackman Harris, Hamming. Они определяют разный вид пиков спектра и уровень шумов и паразитных линий спектра (рис. 11). Разрешение осциллографа определяется отношением частоты дискретизации к размеру памяти осциллограммы.
У осциллографов серии S управление спектральным анализом организовано по аналогии с анализаторами спектра. Так, полоса частот просмотра задается указанием минимальной и максимальной частот либо указанием средней частоты CF и полосы обзора Span. Возможен также короткооконный анализ в 16 узких окон, на которые разбивается временная зависимость сигнала (рис. 12).
Подключение осциллографа к тестируемой или демонстрационной печатной плате с использованием пробников различного типа показано на рис. 13. Подключение пробника логических сигналов в осциллографах смешанных сигналов (MSO) подготавливает к действию логический анализатор для цифровых и логических устройств с параллельным кодированием данных.
Возможен одновременный просмотр смешанных сигналов (аналоговых и цифровых) и таблицы логического состояния тестируемого устройства (рис. 14).
Предусмотрена синхронизация по сигналам последовательных шин, которые передаются по одному или двум каналам (два в случае применения дифференциальных сигналов) — рис. 15. Операция Zoom может использоваться для детального просмотра таких сигналов. Возможны различные математические операции с ними и автоматические измерения. Для просмотра сигналов используются обычные аналоговые входы осциллографа с большой полосой частот.
Последовательное кодирование широко применяется при тестировании последовательных шин и интерфейсов, например RS‑232, USB2 и многих других. С помощью специальных опций осциллографы серии S способны проводить анализ на соответствие сигналам данных различных шин (рис. 16), заданных в протоколах этих шин.
При тестировании быстродействующих электронных устройств широко используются так называемые глазковые диаграммы. У осциллографов серии S большая полоса частот и малый уровень джиттера позволяют получать очень четкие глазковые диаграммы (рис. 17), разрешающие по степени закрытия глаза оценить работоспособность устройств.
Анализу джиттера, естественно, уделяется значительное внимание. Специальная опция позволяет проводить углубленный анализ джиттера и строить различные диаграммы (в том числе глазковые) и гистограммы его статистических характеристик (рис. 18).
На жесткий диск встроенного или внешнего ПК можно записывать различные внешние программы, например системы компьютерной математики, программы углубленного анализа джиттера или спектра и т. д. На рис. 19 представлено окно программы векторного анализа сигналов 89601B.
Особое значение придается комментариям к осциллограммам. У осциллографов серии S введены короткие комментарии (bookmarks), привязанные к характерным точкам осциллограмм. Можно вводить до 60 таких bookmarks. Вместе с таблицами используемых функций и результатов автоматических измерений они дают довольно полную информацию о показанных осциллограммах (рис. 20). Копии экрана со всеми комментариями можно записывать как графические файлы следующих форматов: .jpg, .png, .gif или .tiff. Естественно, возможна и запись в виде файлов и самих осциллограмм.
Широкий выбор пробников
В последние годы большое внимание уделяется пробникам осциллографов. Пользователям наконец стало ясно, что без тщательно подобранных пробников характеристики дорогих и мощных осциллографов значительно ухудшаются. И наоборот, хорошо подобранный пробник резко уменьшает вносимые в сигнал искажения. Учитывая эти обстоятельства, фирма Keysight Technologies выпускает более 100 наименований различных пробников: стандартные с емкостной компенсацией, активные с очень малой входной емкостью (менее 1 пФ), напряжения и тока, высоковольтные, дифференциальные и т. д.
Осциллографы серии S штатно комплектуются пассивными компенсированными пробниками с ослаблением 1:10 типа N2873A с полосой частот 500 МГц и входным сопротивлением 10 МОм. Этого достаточно для решения общих задач, но недостаточная полоса пропускания пробника ведет к значительному ограничению полосы частот осциллографов. Многие пробники для надежного удержания на тестируемой плате используют устройства позиционирования типа «Свободные руки» (рис. 21).
На рис. 22 показано типичное подключение к тестируемой плате нескольких наиболее распространенных типов пробников. Активные пробники IniniiMax III+ имеют расширенную полосу частот до 12 ГГц и могут использоваться с любыми моделями осциллографов описываемой серии. Активный пробник N2750 имеет полосу частот 1,5/3/5/6 ГГц и подсветку места подключения. Особенно интересен высокочувствительный токовый пробник N2820A (от 50 мкА до 50 А), вполне пригодный для контроля токов интегральных микросхем.
Пробник N2901E MSO (рис. 23) для цифровых и логических сигналов (16‑канальный; 2 группы по 8 сигналов) работает со скоростью 2 Готсчетов/с, аналоговая полоса частот 400 МГц. Входное сопротивление каждого канала 100 кОм параллельно с 8 пФ. Стандартная память цифровых осциллограмм 128 Мотсчетов распределяется по всем каналам. Пороги цифровых сигналов: устанавливаемый пользователем, TTL, 5 В CMOS, 3,3 В CMOS, 2,5 В CMOS, ECL, PECL, дифференциальный.
Для удобства применения приборов выпускаются различные демоплаты. На рис. 24 показан USB-модуль с демоплатой. Подобные модули генерируют различные специальные сигналы, обычно применяемые для тестирования осциллографов.
Установка и переноска прибора
В осциллографах многое продумано для удобного размещения на рабочем месте. Конструкция прибора напоминает «кирпич», стоящий на низкой узкой стороне (рис. 25). На левой стороне имеется большой отсек для подключения внешних устройств и внешнего ПК. Доступ к такому подключению удобный и требует небольшого поворота прибора. Доступ дублируется на задней панели прибора.
Прибор рекомендуется переносить с установленной сменной передней крышкой. Для частых переносок рекомендуется специальная упаковка — кейс (рис. 26).
Имеет смысл сравнить по внешнему виду современные осциллографы фирмы Keysight Technologies с осциллографами новейшей серии S. Как видно из такого сравнения (рис. 27), устройства серии S имеют переднюю панель с малой площадью под органы управления и большой площадью экрана дисплея.
Заключение
Наряду с высокой четкостью осциллографы Keysight серии S обладают широкой (до 8 ГГц) полосой пропускания и малым временем нарастания. Они задают основы нового стандарта осциллографов высокого класса с умеренной для таких приборов стоимостью, что достигнуто благодаря широкому применению специализированных твердотельных интегральных микросхем и передовых конструктивных течений.
- Дьяконов В. Осциллографы премиум-класса InfiniiVision 4000 X Series корпорации Agilent // Компоненты и технологии. № 3.
- Agilent Ininiium S‑Series High-Definition Oscilloscopes. Data Shift. Keysight Technologies, Inc. Published in USA, April 28, 2014, 5991-3904EN
- Дьяконов В. П. Сверхскоростная твердотельная электроника. В двух томах. М.: ДМК-Пресс, 2013.