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.).

Рис. 1. Внешний вид осциллографов высокой четкости серии Infiniium S:
а) вид спереди;
б) вид сбоку

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).

Рис. 2. Работа с сенсорным экраном

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).

Рис. 3. Доступ к жесткому диску осциллографа

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].

Рис. 4. Участок платы:
а) с аналоговыми входами;
б) новым быстродействующим АЦП;
в) микросхема BiCMOS;
г) модуль памяти осциллограмм на микросхемах

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).

Рис. 5.
а) Задатчик времени;
б) блок цифровой обработки сигналов

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).

Рис. 6. Сравнение уровня собственных шумов канала вертикального отклонения (по данным фирмы Keysight Technologies)

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).

Рис. 7. Осциллограмма ультракороткого перепада

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).

Рис. 8. Осциллограммы синусоидального сигнала и меандра с таблицей всех заданных автоматических измерений

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.

Рис. 9. Осциллограммы, иллюстрирующие высокую четкость осциллографа Agilent S

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).

Рис. 10. Осциллограмма ВЧ-импульсов, их растяжка и спектр

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.

Рис. 11. Спектр сигнала с пиками, автоматически помеченными маркерами

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).

Рис. 12. Экран с окнами различных сигналов и их спектров

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.

Рис. 13. Осциллограф с подключенной тестируемой платой и пробниками разного типа (в том числе параллельных логических сигналов)

Возможен одновременный просмотр смешанных сигналов (аналоговых и цифровых) и таблицы логического состояния тестируемого устройства (рис. 14).

Рис. 14. Окно с осциллограммами смешанных сигналов

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.

Рис. 15. Окно с осциллограммой данных последовательной шины и панелью установки математических функций и автоматических измерений

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.

Рис. 16. Анализ на соответствие протоколу последовательной шины USB2

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.

Рис. 17. Глазковая диаграмма наглядно демонстрирует высокую скорость и малые собственные шумы и джиттер

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).

Рис. 18. Экран с результатами анализа джиттера

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.

Рис. 19. Окно программы векторного анализа 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.

Рис. 20. Осциллограмма синусоидального сигнала с короткими комментариями

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).

Рис. 21. Пробники с приспособлением «свободные руки»

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.

Рис. 22. Подключение пробников к тестируемой плате:
а) активный пробник IniniiMax III+ с полосой до 12 ГГц;
б) активный пробник N2750 с полосой 1,5/3/5/6 ГГц и подсветкой места подключения;
в) высокочувствительный токовый пробник N2820A (от 50 мкА до 50 А)

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.

Рис. 23. Пробник для логических (цифровых) сигналов

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.

Рис. 24. USB-модуль с демоплатой

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.

Рис. 25. Вид осциллографа S спереди и справа

Прибор рекомендуется переносить с установленной сменной передней крышкой. Для частых переносок рекомендуется специальная упаковка — кейс (рис. 26).

Рис. 26. Кейс для переноски осциллографа серии S

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.

Рис. 27. Сравнение осциллографов по площади передней панели

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.