Основы работы с осциллографами высокой четкости R&S RTO

PDF версия
Компания Rohde & Schwarz обновила модели своих осциллографов и приступила к серийному выпуску новейшего цифрового осциллографа высокой четкости серии RTO [1–4]. Прибор с полосой частот до 4 ГГц у старшей модели имеет ряд новых технических решений, с которыми и познакомит данная статья, посвященная основам работы с подобной аппаратурой.

Органы управления осциллографом R&S RTO

Вид осциллографа R&S RTO со стороны передней панели показан на рис. 1. Слева расположен сенсорный экран и блок начальной установки SETUP, а справа — блоки управления работой прибора.

Вид осциллографа R&S RTO со стороны передней панели

Рис. 1. Вид осциллографа R&S RTO со стороны передней панели.
Основные органы индикации и управления и их функциональное назначение:
1 — сенсорный экран дисплея;
2 — блок начальной установки SETUP с механическими кнопками;
3 — блок горизонтального отклонения и развертки HORIZONTAL;
4 — блок запуска (синхронизации) TRIGGER;
5 — блок анализа осциллограмм ANALYSIS;
6 — блок каналов вертикального отклонения VERTICAL;
7 — блок навигации и перемежения курсоров NAVIGATION;
8 — кнопка включения/выключения питания POWER;
9 — разъемы для USB-устройств, «земли» и компенсации пробников;
10 — коаксиальные разъемы входов 4 аналоговых каналов

Вид со стороны задней панели представлен на рис. 2.

Вид осциллографа R&S RTO со стороны задней панели

Рис. 2. Вид осциллографа R&S RTO со стороны задней панели:
1 — разъем питания от сети переменного тока и выключатель питания;
2 — сетевой разъем LAN;
3 — дополнительные разъемы USB 2.0;
4 — выход внутреннего сигнала калибровки (если сигнал настроен на внешний вывод);
5 — вход внешнего запуска (синхронизации);
6 — выход внешнего запуска и импульсов проверки пробников;
7 — опциональный разъем GPIB (опция R&S RTO-B10);
8 — опциональный разъем логического пробника (сама опция поставляется отдельно);
9 — вход и выход опорного сигнала с опционального кварцевого генератора;
10 — место установки опции жесткого диска;
11 — отверстие замка Kensington для защиты прибора от кражи

Разъемы на задней панели позволяют подключать к осциллографу различные внешние устройства и сети — мышь и клавиатуру, принтер, внешний жесткий диск и даже компьютер, локальную сеть, Интернет и т. д. Это многократно увеличивает возможности осциллографа, хотя и без них прибор является многофункциональным измерительным устройством, скорее даже измерительной системой.

 

Функциональная схема и архитектура осциллографа

R&S RTO (рис. 3) имеет типовую функциональную схему цифрового осциллографа, но с цифровым каналом запуска и синхронизации, подключенным не к выходу аналого-цифрового преобразователя (АЦП), а к выходу блока захвата данных. Таким образом реализуется цифровая синхронизация, а запуск осуществляется сигналом, уже обработанным АЦП и системой интерполяции в блоке захвата и предварительной обработки данных. Преимущества подобной системы описаны далее.

Функциональная схема осциллографа R&S RTO

Рис. 3. Функциональная схема осциллографа R&S RTO

Объем памяти может быть увеличен с помощью опции расширения памяти: RTO-B101 на 50 млн отсчетов/канал, RTO-B102 на 100 млн отсчетов/канал, RTO-B103 на 200 млн отсчетов/канал или RTO-B104 на 400 млн отсчетов/канал. Другой важной особенностью осциллографа является архив данных (рис. 4), то есть цифровых образов осциллограмм. Архив организован по образу петли ленты памяти и позволяет последовательно осуществлять доступ к каждой осциллограмме и просматривать ее с помощью функции «История» (History).

Организация архива данных (осциллограмм)

Рис. 4. Организация архива данных (осциллограмм)

После входного аттенюатора и широкополосного усилителя непрерывная (аналоговая) последовательность данных поступает на вход 8‑разрядного высокоскоростного АЦП и превращается в байты цифровых данных, накапливающиеся в памяти. Каждый байт соответствует одной точке будущей осциллограммы. По достижении нужного числа байтов (определяется длиной осциллограммы) создается ее кадр, который подвергается цифровой обработке информации, а затем осциллограмма отображается на экране дисплея. Поскольку цифровая обработка информации занимает много времени, значительную часть байтов после сбора одного кадра приходится пропускать, прежде чем начнется формирование следующего кадра. А значит, какое-то время осциллограф вынужденно простаивает (рис. 5).

Иллюстрация времени простоя

Рис. 5. Иллюстрация времени простоя

За этот период могут произойти различные, порой важные события, которые не могут быть зафиксированы и окажутся пропущенными. Вот почему очень важна минимизация времени простоя, и этому аспекту в осциллографах уделено большое внимание.

 

Что такое высокая четкость HD и как она достигается

Новейшие осциллографы R&S RTO относятся к классу осциллографов высокой четкости HD16 (High Definition). Что это значит? Аналоговые осциллографы имеют одно явное преимущество перед цифровыми — у них осциллограммы представлены непрерывными линиями на экране электронно-лучевой трубки. Цифровой осциллограф с помощью высокоскоростной схемы выборки каждого канала представляет сигнал в виде совокупности точек с 2N уровнями высоты (рис. 6). Они превращаются в цифровые коды благодаря аналого-цифровому преобразователю (АЦП) с N двоичными разрядами. Большинство осциллографов имеют N = 8 двоичных разрядов АЦП и максимальное число отсчетов 28 = 256. Для хранения значения каждого отсчета при этом требуется 8 бит, или 1 байт памяти, а число разрядов достаточно для получения точности около единиц процентов.

Отсчеты аналогового сигнала и его интерполяция по отсчетам

Рис. 6. Отсчеты аналогового сигнала и его интерполяция по отсчетам

Наблюдать осциллограмму по точкам неудобно, поэтому осуществляется интерполяция сигнала по его отсчетам. В простейшем случае на каждом шаге дискретизации сигнал рассматривается как постоянный, и осциллограмма отображается ступенчатой линией. Возможна линейная интерполяция, то есть соединение точек отсчетов между собой отрезками прямой. Наилучшей и наиболее сложной является интерполяция функцией sin(x)/x, что вытекает из теоремы Котельникова о том, что сигнал с ограниченным спектром полностью восстанавливается по отсчетам при частоте дискретизации минимум вдвое большей, чем наибольшая частота спектра сигнала. Следует отметить еще один фактор дискретизации наблюдаемых осциллограмм — конечное разрешение дисплея. Его можно уменьшить, используя дисплей с высокой разрешающей способностью.

В осциллографах серий 4000 и 6000 корпорации Teledyne LeCroy повышение четкости и точности измерений удалось впервые решить, применив 12‑разрядные АЦП вместо 8‑разрядных. Это имеет свои преимущества, но существенно снижает максимальную частоту дискретизации (до 2,5 ГГц) и полосу пропускания осциллографов (до 1 ГГц). Правда, есть возможность и программного увеличения разрядности до 16 бит, но с дальнейшим сужением полосы вдвое на каждый бит разрядности.

Разработчики осциллографов R&S RTO пошли по другому пути. Они оставили одноядерные 8‑разрядные AЦП и высокую частоту дискретизации — 10 и даже 20 ГГц у старших моделей приборов при спаривании каналов. Это позволило отказаться от принципа чередования полос, неизбежно ведущего к появлению шума, и снизить его уровень примерно на 6 дБ. Проблема повышения четкости отсчетов была решена использованием дополнительного числа отсчетов интерполированной осциллограммы (рис. 7). Разумеется, это стало возможным благодаря повышению скорости дискретизации более быстрым АЦП.

Иллюстрация к повышению вдвое разрешающей способности переходом от основного набора отсчетов к удвоенному при интерполяции

Рис. 7. Иллюстрация к повышению вдвое разрешающей способности переходом от основного набора отсчетов к удвоенному при интерполяции:
а) только исходные отсчеты;
б) интерполированные отсчеты

Таким образом удалось расширить полосу пропускания до 4 ГГц у старших моделей и повысить разрядность дискретизации с 8 до 16 бит — на 8 двоичных разрядов и в 256 раз. Осциллограммы становятся более четкими, отображая такие подробности сигнала, которые в противном случае были бы замаскированы шумом. Соответственно и пользователи смогут получить еще более точные результаты анализа, чем у обычных цифровых осциллографов. При чувствительности вертикальных каналов в 1 мВ/дел значение младшего разряда составляет 39 мкВ.

При расширении толщины осциллограммы по вертикали четкость ухудшается из-за шумов и высокочастотных и низкочастотных наводок. Для достижения высокой четкости сигнал пропускается через низкочастотный фильтр сразу после АЦП. Фильтр снижает уровень шума и высокочастотных наводок, увеличивает отношение сигнал-шум. При необходимости пользователи могут настраивать полосу пропускания фильтра нижних частот в диапазоне от 10 кГц до 500 МГц и в соответствии с характеристиками подаваемого сигнала. Чем меньше полоса пропускания фильтра, тем выше обеспечиваемое разрешение. Часто хорошие результаты дает режим усреднения (Average) осциллограмм, который можно использовать для каждого канала с установкой числа усреднений.

Широкополосные узлы аналоговых каналов и выхода 1 ГГц тщательно оптимизированы для калибровки СВЧ-пробников и собраны на компактной печатной плате в виде единого узла (рис. 8). На ней же размещены узлы генератора прямоугольного сигнала для компенсации пробников и схемы для организации двух портов USB. Сверхширокополосные малошумящие микросхемы входных усилителей потребляют значительную мощность и оснащены общим охлаждающим радиатором.

Узел аналоговых каналов и выхода 1-ГГц сигнала

Рис. 8. Узел аналоговых каналов и выхода 1-ГГц сигнала

Ослабить низкочастотные наводки можно с помощью закрытого входа, а нередко и остановкой непрерывного режима работы — при этом отображается только одна, последняя осциллограмма.

 

Цифровая система запуска осциллографов

По горизонтали осциллограмма обычно «размазывается» из-за нестабильности времени запуска (джиттера). В осциллографах R&S RTO этот период предельно уменьшен за счет применения системы цифрового запуска и значительного расширения полосы частот системы запуска. Уникальная цифровая система запуска от Rohde & Schwarz обладает достаточной чувствительностью и полосой частот для запуска по сигналу с самым высоким разрешением. На задней панели системы предусмотрен отдельный широкополосный вход для обычного (аналогового) запуска и синхронизации внешних сигналов.

Каждый из 16‑битных отсчетов проверяется на соответствие условиям запуска, и каждый из них может его инициировать. Это означает, что осциллографы Rohde & Schwarz способны обнаруживать даже самые незначительные события сигналов и детально их анализировать.

В отличие от запуска по аналоговому сигналу система запуска по цифровому сигналу (рис. 3) оперирует непосредственно с отсчетами АЦП, а не распределяет сигнал по двум трактам и обрабатывает его, обеспечивая сбор данных и отображение. Так удается полностью устранить искажения, присущие системам запуска по аналоговому сигналу. Для определения точки запуска система запуска по цифровому сигналу использует алгоритмы прецизионной цифровой обработки сигналов, позволяющие обнаруживать действительные события запуска и с высокой точностью осуществлять запуск по этим событиям. Максимальное значение частоты составляет 3,5 ГГц, что предоставляет возможность системе запуска по цифровому сигналу обнаруживать частотные составляющие с помощью АЦП, поддерживающего работу на скорости до 10 млрд отсчетов/с. Предусмотрена регулировка и индикация гистерезиса запуска, особенно полезного при шумах в канале запуска.

Поскольку система цифрового запуска использует те же оцифрованные данные, что и тракт сбора данных, можно добиться запуска по событиям сигналов в пределах диапазона АЦП. Компаратор производит сравнение сигнала с заданным порогом запуска для выбранного события. В простейшем случае (запуск по перепаду) возникновение события фиксируется при превышении сигналом порога запуска в требуемом направлении — по переднему или заднему фронту сигнала. Но есть возможность выбора множества типов событий запуска (из настроек TRIGGER).

Некоторые события запуска, такие как запуск по глитчу или по ширине импульса, основаны на соответствии временным условиям, а потому запуск по цифровому сигналу может быть с высокой точностью инициирован этими событиями благодаря возможности определения точек пересечения порога в реальном масштабе времени. Время срабатывания событий запуска может быть задано с шагом 1 пс, а минимальная ширина обнаружения импульса может быть установлена на значение 50 пс.

 

Повышение скорости сбора и уменьшение времени простоя

Повышение четкости у осциллографов R&S RTO носит комплексный характер и весьма важно при работе с приложениями, в которых высокое разрешение по вертикали имеет большое значение. Это особенно актуально в тех случаях, когда необходимо детально проанализировать низковольтные составляющие сигнала, содержащего еще и высоковольтные составляющие. Примером может служить анализ характеристик импульсных источников питания. Значения напряжений на ключевом регуляторе источника питания должны быть определены как в период включения, так и в период выключения в пределах одной выборки. Поскольку колебания напряжения в течение этих циклов переключения могут составлять несколько сотен вольт, то для точного измерения низковольтных составляющих требуется обеспечить высокое разрешение.

При работе на самых высоких частотах дискретизации длительность простоя может превышать 99,5% от общего периода сбора данных, поэтому непосредственно на измерения остается менее 0,5% времени, скрывая возможные сбои сигнала. Поэтому осциллографы оснащены большой глубиной памяти, чтобы при измерении случайного или редко возникающего события исключить вероятность его пропуска.

Помимо быстродействующей памяти, осциллографы серии R&S RTO содержат специализированную интегральную схему (ASIC), показанную на рис. 9, которая осуществляет параллельную обработку нескольких процессов и существенно снижает длительность времени простоя, позволяя достичь скорости анализа порядка 1 млн осцилл./с.

Микросхема ASIC на плате осциллографа

Рис. 9. Микросхема ASIC на плате осциллографа

Переход в режим высокой четкости не сказывается на скорости измерения или измерительных функциях. Поскольку цифровая фильтрация, улучшающая разрешающую способность и понижающая уровень шумов, выполняется в режиме реального масштаба времени в специализированной интегральной схеме (ASIC) осциллографа, скорости сбора и обработки данных остаются высокими. Осциллограф обеспечивает плавную работу и быстрый доступ к результатам измерений. Такие инструменты анализа, как автоматические измерения, быстрое преобразование Фурье (БПФ) и архив данных, могут использоваться в режиме высокой четкости.

 

Начало работы с осциллографом

Перед началом работы осциллограф должен быть подключен через сетевой кабель к сети переменного тока. Разъем кабеля и выключатель полного отключения расположены на задней панели прибора. Рабочее включение и выключение осуществляется кнопкой в левом нижнем углу передней панели. После включения требуется довольно продолжительное время (около 3 мин) для загрузки операционной системы и программы, предназначенной для работы с осциллографом. На экране появляется окно демонстрации видеороликов о работе с прибором. Оно закрывается кнопкой окна с наклонным крестиком. Типичный вид окна в рабочем состоянии показан на рис. 10.

Экран осциллографа в начале работы

Рис. 10. Экран осциллографа в начале работы:
1 — виртуальная сенсорная панель инструментов;
2 — область диаграмм;
3 — a) дескриптор (описатель) сигналов, содержащий метки запуска и канала горизонтального отклонения;
б) дескриптор сигнала, содержащий метку сигнала;
в) дескриптор сигнала, содержащий минимизированное отображение текущей осциллограммы.
4 — панель меню;
5 — диалоговое окно;
6 — окно результатов измерений;
7 — окно ввода данных

Большинство операций с осциллографом производится с помощью органов управления, размещенных на передней панели, и виртуальных экранных меню. Основное из них — графическое — сверху экрана. Для выполнения операции коснитесь пальцем (или маркером мышки, если она подключена) пиктограммы меню с изображением необходимой операции и переместите его на нужную осциллограмму, с которой выполняется операция, — результат появится на экране. Полное управление возможно и с помощью Windows-меню внизу экрана.

Далее нужно подключить к входу выбранного канала (например, Ch1) пробник и подать входной сигнал. Можно воспользоваться подходящим генератором или подсоединить пробник к петле калибратора на передней панели осциллографа под экраном. Выбор используемого канала и установка его параметров (тип ввода, входное сопротивление, полоса частот, конфигурация цифровых фильтров и др.) осуществляется из виртуальных панелей, при нажатии кнопок выбора каналов в блоке VERTICAL. Соответствующие кнопки подсвечиваются.

Стандартные пробники поставляются уже скомпенсированными, и обычная процедура компенсации путем получения правильной прямоугольной формы сигнала калибратора не требуется. Но проверить, так ли это, нужно. Затем на блоке SETUP (рис. 1) надо нажать верхнюю клавишу Autosetup, которая обеспечивает автоматический поиск сигнала и установку начальных параметров для получения осциллограммы.

На рис. 11 показана осциллограмма синусоидального сигнала от цифрового генератора AFG3101 компании Tektronix при двух положениях ручки регулировки интенсивности свечения экрана, расположенной под блоком SETUP. Наличие ручки интенсивности (яркости) свечения, безусловно, одно из достоинств данного осциллографа — это позволяет, как и в аналоговых осциллографах, получать удобную и наиболее четкую осциллограмму.

Осциллограмма синусоидального сигнала при интенсивности свечения

Рис. 11. Осциллограмма синусоидального сигнала при интенсивности свечения:
а) 10%;
б) 90%

Как и у самых современных цифровых осциллографов, у R&S RTO возможно сенсорное управление, ставшее привычным для планшетных компьютеров или смартфонов, или мышкой, подключенной к порту USB осциллографа. Можно управлять виртуальными меню, указывать те или иные объекты интерфейса и графики или осциллограммы, перемещать их и выделять интересующую область, управлять дескрипторами и т. д. Все эти операции интуитивно понятны, но требуют некоторых новых для осциллографов навыков. Они, как и в целом работа с осциллографом, описаны в руководстве по эксплуатации, которое есть на английском и русском языках [2, 3]. Правда, объем этого документа около 1200/900 страниц, что говорит о подробнейшем описании работы с осциллографом R&S RTO.

Теперь можно осуществлять изменение размера осциллограммы и ее смещения (offset) по вертикали поворотными ручками в блоке VERTICAL, менять длительность развертки по горизонтали поворотной ручкой в блоке HORIZONTAL и осуществлять другие типовые и специальные действия.

На рис. 12 показаны осциллограммы треугольного и прямоугольного (меандра) импульсов от цифрового генератора AFG3101. Видно, что сигналы простых геометрических форм воспроизводятся идеально четко и без заметных геометрических искажений. Кнопка Zoom в зоне ANALISYS включает режим просмотра в увеличенном виде текущих осциллограмм (в верхней части экрана имеется панель обзорных осциллограмм, увеличенные осциллограммы выделены серым фоном).

Осциллограммы треугольного и прямоугольного сигналов

Рис. 12. Осциллограммы треугольного и прямоугольного сигналов

Режим расширения Zoom очень удобен для просмотра тонких деталей осциллограмм, которые в обычном режиме могут быть незаметны. Например, на рис. 13 представлен просмотр в режиме Zoom вершины треугольного импульса с включением режима ступенчатой интерполяции. При этом ступенчатость осциллограммы становится отчетливо видной. Она исчезает при выборе линейной интерполяции или интерполяции по закону sin(x)/x (рис. 13б).

Детальный просмотр вершины

Рис. 13. Детальный просмотр вершины:
а) треугольного сигнала;
б) прямоугольного сигнала

Несколько необычной является возможность отображения в окне каждого из четырех каналов до трех осциллограмм (рис. 14). Предусмотрено также отображение расчетных и опорных осциллограмм (детали — в руководстве по эксплуатации [4]).

Отображение в окне одного канала нескольких осциллограмм

Рис. 14. Отображение в окне одного канала нескольких осциллограмм

 

Автоматические и курсорные измерения

Осциллограф имеет режим автоматических измерений 77 различных параметров сигнала, разбитых на различные группы, — например, амплитудные, временные или статистические измерения. Это превращает осциллограф в многофункциональную измерительную лабораторию. Панели выбора и настройки автоматических измерений выводятся при нажатии кнопки Meas (сокращенно «Измерения»). Замечательно, что можно выводить панели быстрых измерений и полных измерений. Так, на рис. 15 показана осциллограмма прямоугольных импульсов встроенного калибратора пробников с панелью вывода всех автоматических измерений. Можно выводить и параметры статистических измерений.

Осциллограмма сигнала калибратора с панелью автоматических измерений

Рис. 15. Осциллограмма сигнала калибратора с панелью автоматических измерений

В процессе снятия осциллограмм осциллограф автоматически обкатывает множество осциллограмм и накапливает статистические данные об их параметрах. Нажав пальцем или мышью пиктограмму вызова гистограммы, можно вывести вертикальную или горизонтальную статистическую гистограмму сигнала. На рис. 16 показано построение таких гистограмм (горизонтальной и вертикальной) для синусоидального сигнала.

Гистограммы синусоидального сигнала, наложенные на их осциллограммы

Рис. 16. Гистограммы синусоидального сигнала, наложенные на их осциллограммы

Основные параметры вертикальной гистограммы синусоиды представлены на рис. 17. Вид гистограммы зависит от формы осциллограммы и закона изменения ее крутизны. Так, гистограмма треугольного сигнала грубо напоминает прямоугольную закрашенную желтым цветом область, поскольку крутизна постоянна на стадиях роста и спада сигнала. В случае синусоидального сигнала крутизна максимальна при переходе сигнала через ноль, и гистограмма имеет наименьшее значение в медиане.

Параметры вертикальной гистограммы

Рис. 17. Параметры вертикальной гистограммы

В осциллографах сохранена возможность проведения хорошо известных курсорных измерений (рис. 18). Курсоры выводятся нажатием клавиши Cursors в блоке ANALISYS и перемещаются поворотной ручкой в блоке NAVIGATION. В отдельных случаях курсорные измерения безальтернативны — например, когда измерения производятся в области осциллограммы, чьи особенности недоступны системе запуска.

Курсорные измерения периода и размаха прямоугольного сигнала калибратора

Рис. 18. Курсорные измерения периода и размаха прямоугольного сигнала калибратора

 

О подключении осциллографов и выборе пробников

Наиболее широкую полосу пропускания и наименьшее время нарастания переходной характеристики (до 400 пс у прибора с полосой 1 ГГц) осциллографы имеют при работе непосредственно с 50‑омным входом, обеспечивающим режим согласования со стандартными 50‑омными устройствами и коаксиальными кабелями. Если подавать сигналы на такой вход через резистор 450 Ом (желательно таблеточный, с малой паразитной индуктивностью), можно получить практически без частотных искажений вход с сопротивлением 500 Ом и коэффициентом деления 10. При дополнительном резисторе 50 Ом коэффициент деления будет равен 2 и т. д.

Стандартный высокоомный вход имеет сопротивление 1 МОм, но параллельно с входной емкостью около 10–15 пФ. Это заметно увеличивает время нарастания и ведет к спаду амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в области высоких частот. Даже при подаче сигнала от источника (например, генератора) с выходным сопротивлением 50 Ом постоянная времени входа оказывается равной (10–15) пФ50 Ом = (500–750) пс, а время нарастания в 2,2 раза больше, то есть 1–1,5 нс. При подаче сигнала через экранированный кабель входная емкость возрастает до десятков пикофарад и, соответственно, возрастает постоянная времени нарастания. Стандартные пассивные пробники имеют полосу частот до 500 МГц, а потому приходится использовать специальные типы пробников — с высоким входным сопротивлением и малой емкостью.

Все еще существует неверное мнение о второстепенной роли пробников осциллографа, которые используются для удаленного подключения прибора к объекту исследований или тестирования. Однако неправильно подобранный пробник вызывает появление искажений, иногда многократно превосходящих те, что заложены в технических условиях осциллографов (и порой совершенно недопустимых). О важности пробников свидетельствуют многочисленные статьи, посвященные правильному выбору и применению пробников, и высокая стоимость некоторых видов пробников. Нередко приобретение набора пробников может обойтись дороже самого осциллографа.

С осциллографами R&S RTO с полосой 1 ГГц поставляются стандартные пассивные пробники с полосой частот 500 МГц R&S RT-ZP10 и коэффициентом деления 10 при входном сопротивлении 10 МОм. Они имеют съемную насадку c пружинным зажимом и съемный провод заземления длиной около 10 см с «крокодилом». Это приводит к увеличению паразитной индуктивности до десятков наногенри и вызывает колебательный выброс на коротких фронтах исследуемых импульсов. На рис. 19 показаны осциллограммы реального перепада напряжения продолжительностью около 2 нс от генератора AFG3101 компании Tektronix. Осциллограммы получены при непосредственной подаче сигнала на высокоомный вход и при подаче через стандартный пробник со снятым наконечником и заземленным проводом, а также через пробник в полном составе. Во всех случаях отмечается заметное ухудшение времени нарастания, а в последнем случае наблюдается и сильный колебательный выброс.

Осциллограммы перепада с длительностью 2 нс

Рис. 19. Осциллограммы перепада с длительностью 2 нс

Помимо стандартных пассивных пробников, широко распространены активные пробники. Они подключаются к входам аналоговых каналов через специальный разъем каждого входа, расположенный под его коаксиальным разъемом. Установка параметров пробника производится из виртуальных панелей рис. 20.

Виртуальные панели установки параметров пробников

Рис. 20. Виртуальные панели установки параметров пробников:
а) активного малоемкостного;
б) активного дифференциального;
в) токового на средние токи;
г) токового на большие токи

Большинство современных интегральных микросхем не допускают нагрузки сопротивлением 50 Ом. Однако пассивные пробники с высокоомным входом не очень пригодны для подключения к быстродействующим микросхемам, поскольку имеют большую емкость и паразитную индуктивность. Для снятия осциллограмм сигналов от таких микросхем предпочтительны активные пробники с очень малой (менее 1 пФ) входной емкостью (рис. 21). Они строятся на основе повторителя сигналов на широкополосном операционном усилителе или СВЧ-транзисторах. За счет специальной конструкции миниатюрной головки такие пробники обычно легко подключаются к штырьковым контактам на печатных платах, а малая входная емкость и малая индуктивность входных цепей резко уменьшают колебательные выбросы.

Осциллограф с активными пробниками во всех каналах

Рис. 21. Осциллограф с активными пробниками во всех каналах

На рис. 22 показаны сравнительные осциллограммы, полученные при использовании активного и стандартного пассивного пробников. Разница поразительна: активный пробник с входной емкостью 0,9 пФ (есть пробники и с меньшей емкостью) демонстрирует равномерную вершину перепада и почти полное отсутствие колебательного выброса. Осциллографы, предназначенные для тестирования устройств на микросхемах, целесообразно оснащать набором активных пробников для всех аналоговых каналов. Правда, набор таких пробников с полосой 1–2 ГГц стоит почти столько же, сколько и сам осциллограф с полосой 1 ГГц. Считается, что полоса частот пробников должна превышать полосу частот осциллографа хотя бы в 1,5 раза, чтобы заметно не сужать общую полосу частот.

Осциллограмма перепада с длительностью 1 нс активным и обычным пассивным пробниками

Рис. 22. Осциллограмма перепада с длительностью 1 нс активным и обычным пассивным пробниками

 

Выход импульсов калибровки на задней панели осциллографа

На задней панели осциллографа есть коаксиальный разъем выхода импульса прямоугольной формы с длительностью от 12 нс и выше (по умолчанию 100 нс) и временем нарастания и спада около 1 нс. Осциллограмма импульса и панель с данными его параметров, полученными при автоматических измерениях, представлены на рис. 23. Импульс предназначен для калибровки широкополосных и активных пробников. Рекомендуется подключать этот выход ко входу через отрезок кабеля с резисторами 50 Ом на входе и выходе. Это вдвое снижает амплитуду импульса, но практически устраняет выбросы после фронтов. По умолчанию разъем отключен, и включается с виртуальной установочной панели.

Осциллограмма импульса с выхода на задней панели с таблицей автоматических измерений его параметров

Рис. 23. Осциллограмма импульса с выхода на задней панели с таблицей автоматических измерений его параметров

Начало импульса привязано к «нулевому» времени в центре экрана с устанавливаемой задержкой, импульс можно использовать для внешнего запуска и контроля переходной характеристики внешних устройств высокого быстродействия. Осциллограмма переднего фронта импульса показана на рис. 24. Импульс имеет минимальный джиттер и появляется в автоколебательном режиме работы.

Осциллограмма фронта импульса с выхода на задней панели

Рис. 24. Осциллограмма фронта импульса с выхода на задней панели

В осциллографе также имеется разъем синусоидального сигнала с частотой 1 ГГц, расположенный на передней панели осциллографа под экраном. По умолчанию он отключен, но может включаться с панели установки. Используется для калибровки АЧ- и СВЧ-пробников.

 

Графическое построение АЧХ и частотного спектра с помощью БПФ

Импульсы с малой длительностью перепадов можно использовать для приближенного построения АЧХ сквозного тракта (с учетом АЧХ осциллографа, линейных цепей генератора, соединительного кабеля и пробника, если он применяется). Теоретически АЧХ (рис. 25) — это результат выполнения математической операции быстрого прямого преобразования Фурье (FFT, или БПФ) над производной от временной зависимости импульса. При этом надо обеспечить получение неискаженной производной и избежать ее ограничений из-за получаемых (при коротких перепадах) очень больших значений производной.

Осциллограмма короткого перепада, его производной и АЧХ сквозного тракта, полученная функцией БПФ

Рис. 25. Осциллограмма короткого перепада, его производной и АЧХ сквозного тракта, полученная функцией БПФ

Также рис. 25 иллюстрирует применение математической операции дифференцирования осциллограммы. Она полезна и для выделения и распознавания шумов. Осциллограф производит и десятки других математических операций над сигналами — например, арифметически над сигналами двух каналов, интегрирование, логарифмирование и т. д. При проведении спектрального анализа особый интерес представляют сигналы с формой функции sin(x)/x, показанные на рис. 26.

Осциллограмма сигнала sin(x)/x и перепада импульса запуска внешних устройств генератора AFG3101

Рис. 26. Осциллограмма сигнала sin(x)/x и перепада импульса запуска внешних устройств генератора AFG3101

Данная функция не только является основой интерполяции сигналов по их отсчетам в большинстве цифровых осциллографов, но и характеризуется постоянным спектром сигнала, что наглядно демонстрирует рис. 27. Увеличив полосу частот разрешения, можно получить огибающую спектра, то есть график АЧХ сигнала.

Спектр сигнала sin(x)/x, демонстрирующий постоянство амплитуды гармоник

Рис. 27. Спектр сигнала sin(x)/x, демонстрирующий постоянство амплитуды гармоник

Высокая разрешающая способность и четкость особенно нужны при просмотре сложных сигналов с очень длинной линией осциллограмм. Примером могут служить амплитудно-модулированные (АМ) синусоидальные сигналы с высокочастотной несущей и низкой частотой модуляции. При умеренной частоте несущей несущая даже видна на осциллограмме (рис. 28), а при очень высокой частоте осциллограмма выглядит как сплошная залитая цветом полоска с переменной шириной.

Осциллограмма синусоидального сигнала с АМ

Рис. 28. Осциллограмма синусоидального сигнала с АМ

Используя АМ синусоидальные сигналы, можно легко оценивать разрешение спектрального сигнала. Теоретически спектр такого сигнала при модуляции по синусоидальному закону содержит всего три частотные составляющие: линию (пик) с частотой несущей и две боковые линии (пики) по обе стороны, отстоящие на частоту модуляции. Она обычно намного ниже, чем частота несущей. Вид спектра реального АМ-сигнала с несущей 50 МГц при частоте модуляции 1 кГц и глубине 100% показан на рис. 29. Все три частотные составляющие отчетливо видны, а ширина и форма пиков зависит от вида окна спектрального анализа. Боковые пики имеют высоту вдвое меньшую, чем высота пика несущей, при глубине модуляции 100%. Полоса частотного разрешения составляет 100 Гц, что указывает на очень высокое частотное разрешение.

Спектр синусоидального сигнала с АМ

Рис. 29. Спектр синусоидального сигнала с АМ

 

Построение масок и глазковых диаграмм

При допусковом тестировании компонентов и устройств часто используются маски. Маска — это графическая область, в которую не должна попадать осциллограмма в ходе ее изменения. Особенно часто маски применяются для контроля уровня глазковых диаграмм. В позиции Mask меню Windows есть команда попадания маски по точкам (рис. 30). Если осциллограмма или диаграмма попадает в область маски, работа осциллографа прекращается, а осциллограмма или диаграмма внутри маски окрашивается в иной (например, красный) цвет. Маски можно строить и перемещением осциллограмм.

Создание маски по точкам на сенсорном экране

Рис. 30. Создание маски по точкам на сенсорном экране

В последнее время для анализа быстродействующих устройств часто применяются глазковые диаграммы. Глазковая диаграмма строится совмещением осциллограмм — нормальной и инверсной. Они образуют фигуру, похожую на открытый глаз. Если глаз слишком узкий или «закрывается», значит, нормальная работа тестируемого устройства становится невозможной. Шумы также сужают открытую область «глаза». В общем случае это происходит, если глазковая диаграмма входит в область маски (рис. 31). При этом работа осциллографа останавливается, а попавшая в маску часть осциллограммы окрашивается в красный (или иной установленный пользователем) цвет.

Маска и глазковая диаграмма

Рис. 31. Маска и глазковая диаграмма

Глазковые и другие диаграммы, гистограммы и осциллограммы могут использовать средства аналогового цветного послесвечения (персистенции). Соответствующие средства для работы с цветом есть в позиции Display меню Windows внизу экрана (рис. 31).

 

Анализ джиттера и последовательных шин

Все реальные сигналы в той или иной мере имеют шумовые компоненты. Вызванная ими нестабильность оценивается джиттером, анализ которого реализуется с применением возможностей осциллографа (рис. 32).

Пример анализа джиттера

Рис. 32. Пример анализа джиттера

Особенно часто джиттер проявляется при работе скоростных устройств, таких как последовательные шины и линии передачи данных. В осциллографах предусмотрено декодирование и анализ последовательных шин с учетом ряда протоколов их работы (рис. 33). Углубленный анализ выполняется с помощью специальных опций для каждого типа шины. Опции приобретаются отдельно. При этом детально анализируются особенности сигнала и его статистические параметры, соответствие протоколам работы.

Экран декодирования и анализа последовательной шины

Рис. 33. Экран декодирования и анализа последовательной шины

 

Работа с осциллографом в режиме XY

Аналоговые осциллографы имеют простую реализацию режима XY, при котором на входы каналов горизонтального и вертикального отклонения подаются независимые сигналы. Такой режим применяется для построения фигур Лиссажу, петель гистерезиса и иных параметрических фигур. Однако у цифровых осциллографов каналы X и Y принципиально различны, и входа канала X попросту нет.

Осциллографы имеют специальный режим XY, при котором роль каналов X и Y выполняют обычные аналоговые каналы. На рис. 34 показан пример реализации режима XY при подаче на два входа двух синусоидальных сигналов с разной частотой и масштабом амплитуды. Нетрудно заметить, что высокая четкость в этом режиме не реализуется.

Построение фигур Лиссажу в режиме XY

Рис. 34. Построение фигур Лиссажу в режиме XY

Приведенные примеры представляют лишь часть весьма обширных возможностей осциллографов R&S RTO. Даже предшествующие модели этих осциллографов не уступали модулям известных мировых компаний с аналогичной полосой частот. Описание новых осциллографов планируется продолжить.

 

Заключение

Осциллографы R&S RTO — многофункциональные измерительные приборы открытой архитектуры с высокой четкостью, ориентированные на детальное изучение и тестирование как простых, так и самых сложных сигналов в наиболее часто применяемой на практике полосе частот от 0 до 4 ГГц. Приборы оснащены средствами компьютерной математики, автоматических измерений и анализа, многие из которых реализованы аппаратно. Имеют уникальные функции архива осциллограмм и цифрового запуска. Отличаются высочайшей скоростью обработки осциллограмм и удобным сенсорным экраном большого размера и высокого разрешения.

Литература
  1. Дьяконов В. П. Современная осциллография и осциллографы. М.: СОЛОН-Пресс, 2005.
  2. R&S RTO Digital Oscilloscope User Manual. Rohde & Schwarz, 2015.
  3. Осциллографы цифровые R&S RTO. Руководство по эксплуатации. Rohde & Schwarz, 2015.
  4. Дьяконов В. Как потратить миллион рублей на покупку цифрового осциллографа и что из этого выйдет? // Компоненты и технологии. 2013. № 12.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *