Серия Hi-End-осциллографов WavePro/SDA 7 Zi-A с полосой 1,5–6 ГГц фирмы Teledyne LeCroy

Современные осциллографы, серийно выпускаемые небольшим числом компаний

Высокоскоростные модели этих «микроскопов» в мире электрических сигналов можно перечислить по пальцам одной руки — их куда меньше, чем мировых фирм, создающих автомобили, самолеты и даже космические корабли. Это указывает на сложность применяемых в осциллографах технических решений и технологий. Не случайно цена наиболее мощных осциллографов многократно превосходит стоимость престижного автомобиля.

За последнее десятилетие один из мировых лидеров рынка — корпорация LeCroy (ныне Teledyne LeCroy, Inc., США) зарекомендовала себя как разработчик цифровых осциллографов Hi-End-класса с высочайшими частотно-временными характеристиками — большой полосой частот и малым временем нарастания. Некоторые последние разработки (например, серии WaveMaster 8 Zi и WavePro 7 Zi, LabMaster 10 Zi и LabMaster 9 Zi) были удивительно похожи друг на друга, имея унифицированный и самый современный интерфейс пользователя и, естественно, отличаясь полосой частот и стоимостью.

В конце 2013 года Teledyne LeCroy представила миру свои новейшие разработки 12‑разрядных приборов умеренной стоимости — осциллографы высокой точности и четкости серий HDO4000R/6000R, в том числе мультисигнальные с встроенным логическим анализатором HDO4000R-MS/HDO6000R-MS [1]. Эти осциллографы впервые в мире имеют 12‑битовые аналого-цифровые процессоры (АЦП) в каналах вертикального отклонения вместо традиционных 8‑битовых, повышенное до 4096 (вместо 256) число ступеней квантования и втрое меньшую, чем у большинства 8‑разрядных осциллографов, погрешность (0,5%) вертикального отклонения. Недавно появились и бюджетные модели серии WaveSurfer 3000R. Приборы очень похожи на своих старших собратьев, но и дешевле [2], а также имеют меньшие массо-габаритные показатели.

Если закрыть глаза на полосу частот (она достигает 1 ГГц, что иногда недостаточно), то новейшим HDO4000R/6000R можно было бы отдать пальму первенства по функциональным возможностям и совершенству интерфейса пользователя. Удивляет и канал развертки во времени со скоростью от 20 пс/дел. до 25000 с/дел.

Это сделано не случайно! Можно изучить многочисленные инновации LeCroy, например режим быстрого обнаружения и запуска по аномалиям Triger Scan, режим поиска и анализа аномалий Wave Scan, режим просмотра предшествующих осциллограмм History, режим детального анализа спектра Spectrum и т. д. В старших сериях приборов, в частности WavePro/SDA 7 Zi-A, эти режимы тоже реализованы.

Осциллографы Teledyne LeCroy WavePro 7 Zi-A

Сегодня наиболее дорогим и востребованным свойством осциллографов по-прежнему остается широкая полоса исследуемых частот (и время нарастания в наносекундах, примерно равное 0,35/F, где F — полоса частот в ГГц). На рис. 1 показана типовая зависимость скорости передачи данных от их объема, свойственная современным интерфейсам и системам передачи данных. Объем информации непрерывно повышается, и увеличивается скорость передачи данных, а следовательно, и быстродействие необходимых для их просмотра осциллографов. Вот почему потребность в скоростных осциллографических системах постоянно возрастает [3]. Учитывая эту потребность, корпорация LeCroy создала ряд высокоскоростных 8‑разрядных осциллографов серии 7 Zi. На современном уровне технологии именно такие приборы имеют максимальную полосу частот при умеренной стоимости. В приборах в виде БИС реализованы наиболее скоростные узлы с применением кремний-германиевой технологии гетеропереходов.

Рис. 1. Зависимость скорости передачи данных от их объема

Серия 4‑канальных цифровых запоминающих осциллографов WavePro 7 Zi-A (рис. 2) и анализаторов последовательных данных SDA 7 Zi-A имеет полосу частот от 1,5 до 6 ГГц при частоте дискретизации 20 ГГц на канал и 40 ГГц в режиме объединения каналов. Их память составляет 20 и 40 Мбайт/канал в режиме попарного объединения каналов (опция до 256 Мбайт).

Рис. 2. Внешний вид осциллографа WavePro/SDA 7 Zi-A

Приборы созданы на основе открытой архитектуры и имеют выстроенный мощный и быстродействующий персональный компьютер на базе 4‑ядерного микропроцессора Intel Core Quad с тактовой частотой на каждое ядро 2,6 ГГц (до 3,8 ГГц в режиме турбо) и емкостью оперативной памяти 8 Гбайт (опция до 32 Гбайт). Компьютер оснащен твердотельным жестким диском большой емкости (160 Гбайт, опция 500 Гбайт), на котором размещены программы обслуживания осциллографа и внешние программы. Возможна и полноценная работа с внешним компьютером.

Приборы имеют очень большой сенсорный ЖК-экран 39 см и входные сопротивления 50 Ом и 1 МОм. Полосы пропускания моделей WP 7 Zi-A составляют 1,5; 2,5; 3,5; 4; 6 ГГц. Выпускается также подобная по набору серия анализаторов последовательных данных SDA 7 Zi, имеющих расширенное программное обеспечение. Классификационные параметры приборов даны в таблице 1. Старшая модель уверенно преодолела очередной «магический» рубеж по времени нарастания в 100 пс.

Примечание. * У всех приборов есть опция увеличения объема памяти до 256 Мбайт.

** Опция увеличения частоты дискретизации путем объединения каналов.

Основные характеристики приборов:

• Количество аналоговых каналов: 4.
• Переключаемые входы: 50 Ом и 1 МОм во всех моделях.
• Два типа входов: ProBus до 3,5 ГГц (50 Ом) и до 500 МГц (1 МОм), ProLink (в моделях с полосой 4/6 ГГц) — полная полоса (50 Ом).
• Максимальная частота дискретизации на каждый канал 20 ГГц (при объединении каналов — 40 ГГц).
• Объем памяти на канал 20 Мбайт (40 Мбайт при объединении каналов), 32 Мбайт для серии SDA анализаторов последовательных данных (64 Мбайт при объединении); опция до 256 Мбайт.
• Потоковая технология X‑Stream II обеспечивает обработку больших массивов данных до 100 раз быстрее, чем у приборов других производителей.
• Скорость захвата: до 750 000 осцил./с для детального воспроизведения сигнала.
• Скорость передачи данных от осциллографа к внешнему компьютеру: до 325 Мбайт/с.
• Инновационный режим TriggerScan позволяет максимально быстро обнаруживать и осуществлять запуск по различным условиям.
• Задание условий поиска и детальный анализ аномалий с помощью инструмента WaveScan.
• Базовый пакет анализа джиттера, опциональное расширение функций анализа джиттера, шума и перекрестных помех (для SDA стандарт).
• Синхронизация и декодирование 37 последовательных протоколов (опция).
• Запуск по высокоскоростным (до 3,125 Гбит/с) последовательным протоколам (WP опция, SDA стандарт).
• Опция для анализа логических состояний.
• Тестирование интерфейсов на соответствие стандартам (опция).
• Поддержка всех видов пробников: пассивных, активных, дифференциальных, высоковольтных, токовых, логических.
• Цветной сенсорный ЖКИ 15,3‑дюймовый (39 см по диагонали, 16×9).
• Встроенный ПК на процессоре Intel Core 2 Quad 2,6 ГГц (или выше), ОЗУ 8 Гбайт, ОС Windows 7 Pro (64 бит).
• Габариты: 355×467×289 мм.
• Масса: 18,4 кг.

Конструкторы славно потрудились над дизайном и пользовательским интерфейсом осциллографов. Вместо набившего оскомину светло-серого цвета приборы (и их передняя панель) имеют строгий черный цвет, а панель управления выполнена в стиле панели управления самолетом. А вот и изюминка, присущая только старшим сериям осциллографов LeCroy, — съемная панель управления осциллографом (рис. 3).

Рис. 3. Снятие панели управления прибором

Сама панель управления показана на рис. 4. Расположение органов управления тщательно продумано, и их число сокращено до минимума с сохранением удобства работы. Панель разбита по функциональному признаку на ряд зон с органами управления (многофункциональными кнопками и поворотными ручками в каждой).

Рис. 4. Панель управления осциллографом WavePro 7 Zi-A

Поворотные ручки снабжены переключателем, срабатывающим при нажатии на ручку: при этом устанавливается соответствующий параметр по умолчанию, например нулевое смещение для ручки смещения по вертикали. Некоторые кнопки имеют цветовую окраску — так, кнопки включения/выключения каналов окрашены в цвета осциллограмм каналов.

Подключение пробника логических сигналов

К осциллографу можно подключить пробник MS‑250 или MS‑500 для логических сигналов — на 18 или 36 логических каналов, рабочая полоса 250 или 500 МГц (рис. 5). Это превращает осциллограф в мультисигнальный и позволяет тестировать параллельные шины передачи данных, логические и цифровые устройства.

Рис. 5. Подключенный к осциллографу пробник логических сигналов

Снятие осциллограмм

Часто, тестируя печатную плату или какое-либо электронное устройство, пользователь был вынужден отвлекаться от объектов тестирования и переносить внимание на стоящий вдалеке осциллограф, осуществляя его ручную настройку. Теперь съемную панель управления, подключаемую к осциллографу соединительным USB-кабелем, можно поместить рядом с тестируемым объектом и настроить его, не отвлекаясь от работы (рис. 6).

Рис. 6. Тестирование печатной платы осциллографом WavePro 7 Zi-A

Правила работы с WM 7 Zi-А ничем не отличаются от описанных в обзоре [1] по работе с осциллографами HDO4000R/6000R. Примеры применения, приведенные в обзоре, актуальны и для осциллографов WM 7 Zi-A. Разумеется, существенно возрастает диапазон частот исследуемых сигналов. Далее предложено несколько новых примеров, наглядно иллюстрирующих работу с приборами.

На рис. 7 показаны две обычные осциллограммы синусоидальных сигналов, сдвинутых по фазе, в режиме YT (обычная развертка во времени). А справа показано окно в режиме XY (один сигнал подан на ось X, а другой на ось Y). В результате получается фигура Листажу — окружность. Если сигналы имеют кратность частот 2, получается фигура, похожая на 8 или ∞, и т. д. При нестрогой кратности частот фигуры вращаются.

Рис. 7. Осциллограммы двух синусоид и фигура Лиссажу — окружность в режиме работы XY

Малый участок осциллограммы (он подсвечен) можно развернуть на весь экран (режим Zoom, или «электронной лупы времени»). Это наглядно иллюстрирует рис. 8, на котором подсвеченный участок выделяется с помощью функции TriggerScan для поиска в длинной осциллограмме всех аномалий и просмотра заданной аномалии.

Рис. 8. Пример обнаружения аномалии с помощью режимов Zoom и TriggerScan

Другой пример применения функции Zoom дан на рис. 9. Он демонстрирует проведение математической операции над зависимостью от трех параметров автоматических измерений P1, P2 и P3 (возможность, предусмотренная далеко не у всех цифровых осциллографов).

Рис. 9. Просмотр малой части осциллограммы с помощью режима Zoom

Прибор проводит непрерывные измерения ряда статистических параметров осциллограмм. При желании данные статистики можно вывести в дескрипторы осциллограмм и построить по ним микрогистограммы внутри дескрипторов или в полном размере в отдельных окнах. Последний случай иллюстрирует рис. 10.

Рис. 10. Осциллограмма, ее гистограммы и результаты статистики

Контроль джиттера

Естественно, что у высокоскоростных осциллографов значительное внимание уделено временной и амплитудной нестабильности сигналов — джиттеру. Джиттер непременно присутствует во всех сигналах и имеет разную природу возникновения. На рис. 11 показана диаграмма различных компонент джиттера. Осциллографы серии WM 7 Zi-А (и последующие серии сверхскоростных приборов LeCroy) способны распознавать и выделять различные компоненты джиттера и учитывать их при анализе.

Рис. 11. Основные типы джиттера

Для анализа джиттера используются специальные программы, поставляемые в виде опций. Они имеют свое окно (рис. 12), свой простой и наглядный интерфейс. Программы позволяют оценить джиттер для заданной части осциллограмм, построить его зависимости от времени или иного параметра и гистограммы распределения.

Рис. 12. Анализ джиттера

Работа с MATLAB и сегментами

Очень мощные возможности по анализу и обработке сигналов имеют современные системы компьютерной математики, например Mathcad или матричная система MATLAB [4]. Порой в этом они значительно превосходят средства, реализованные в осциллографах. В осциллографы LeCroy введена возможность записи этих систем на жесткий диск и совместного применения со средствами самих осциллографов для обработки сигналов, моделирования фильтров (рис. 13) и различных электронных устройств.

Рис. 13. Пример работы с опцией матричной системы компьютерной математики MATLAB

Очень важное значение имеет механизм сегментации осциллограмм. В этом режиме в память записывается не осциллограмма целиком, а отдельные ее участки — сегменты (рис. 14), содержащие только полезную информацию. Поэтому режим сегментации оптимизирует использование памяти прибора.

Рис. 14. Сегментирование осциллограммы

Сегменты можно быстро просматривать (рис. 15).

Рис. 15. Пример осциллограммы с просмотром сегментов

Автоматические измерения и математика

Возможности осциллографов многократно возрастают благодаря введению автоматических измерений. Они, по существу, превращают осциллограф в мощную многофункциональную лабораторию, заменяющую множество измерительных приборов. Выбор измерений (свыше 50 типов) у осциллографов серии WavePro 7 Zi-A выполняется из окна, показанного на рис. 16. Оно содержит вкладки, в которых автоматические измерения функционально сгруппированы — горизонтальные (временные), вертикальные (амплитудные), импульсные и т. д. Каждое измерение создает свой дескриптор, чья активизация открывает панель настройки автоматических измерений.

Рис. 16. Окно выбора инструментов для проведения автоматических измерений

На рис. 17 показаны примеры горизонтальных автоматических измерений, а на рис. 18 — вертикальных автоматических измерений. Они дополняются графической иллюстрацией измерений и выводом линий уровней, на которых проводятся измерения. Это делает измерения наглядными. Внизу показаны дескрипторы измерений.

Рис. 17. Примеры горизонтальных (временных) автоматических измерений

Рис. 18. Примеры вертикальных (амплитудных) автоматических измерений

В таком же стиле организованы инструменты для проведения математических операций над сигналами и результатами автоматического измерения их параметров. На рис. 19 показано окно выбора инструментов для математических операций с параметрами автоматических измерений.

Рис. 19. Окно выбора инструментов для математических операций с параметрами автоматических измерений

Возможны математические операции с сигналами двух каналов, например арифметические. Но еще больше операций предусмотрено над сигналами одного канала или иными зависимостями от одного параметра. Это и вычисление элементарных функций, и операции высшей математики, такие как быстрое комплексное преобразование Фурье (с использованием до 50 млн отсчетов), дифференцирование и интегрирование. Одно из окон выбора таких операций показано на рис. 20.

Рис. 20. Окно выбора основных математических операций

Спектральный анализ

Опция спектрального анализа в приборах имеет функции измерения спектральной плотности, реальной и мнимой частей сигнала, амплитуды, фазы и т. д. Опция SPECTRUM включает в себя настройки управления, которые подобны основным настройкам анализатора спектра, таким, как установка центральной частоты, полосы обзора (или начальной и конечной частоты) и полосы частот разрешения RBW (рис. 21). Эта опция встроена в приборы HDO6000R и описана в [1].

Рис. 21. Спектральное представление сигнала (опция SPECTRUM)

Уникальная функция поиска пиков обнаруживает спектральные составляющие, отображает частоты компонентов и измеряет их уровень с отображением в интерактивной таблице (рис. 21). Обновленный режим «Спектрограмма» позволяет обнаруживать изменения в спектре с течением времени (2D/3D-визуализация).

Работа с внешними дисплеями

Осциллографы серии WavePro 7 Zi-A могут использоваться с дополнительным внешним дисплеем, который устанавливается сверху блока осциллографа. По сравнению с экраном осциллографов HDO4000R/6000R площадь просмотра осциллограмм и других данных увеличена втрое, что дает возможность в деталях рассматривать сложнейшие процессы.

Все высокоскоростные осциллографы являются 8‑разрядными. Для повышения четкости осциллограмм предусмотрены методы сужения полосы частот и усреднения осциллограмм. Особый метод основан на применении эквивалентной дискретизации, что поясняет рис. 22. Как нетрудно заметить, он позволяет увеличить число отсчетов у наблюдаемого сигнала, который, однако, не может быть однократным. Эти методы, к сожалению, уменьшают скорость вывода осциллограмм по сравнению с аппаратной реализацией повышенной разрядности.

Рис. 22. Метод эквивалентной дискретизации повторяющегося сигнала

Увеличение общей площади экранов позволяет разместить на них большее число окон с различным оформлением (рис. 23) и поместить в нем осциллограммы и диаграммы различного типа. Этому способствует и высокая разрешающая способность экранов основного и дополнительного дисплеев. Внешний вид осциллографа с двумя дисплеями показан на рис. 24.

Рис. 23. Окно выбора типа дисплея

Рис. 24. Внешний вид осциллографа WavePro 7 Zi-A с дополнительным дисплеем

Как уже отмечалось, одной из основных функций современных осциллографов является тестирование высокоскоростных последовательных шин и интерфейсов, выполненных по различным стандартам. Основные стандарты с указанием скорости передачи данных и требуемой полосы частот канала передачи данных представлены в таблице 2 [5]. Там же указана рекомендуемая модель осциллографа/анализатора серии 7 Zi-A для тестирования последовательной шины заданного стандарта.

На рис. 25 показан экран осциллографа при анализе последовательной шины высокоскоростных данных. Представлен спектр и временная диаграмма джиттера данных, его статистика и глазковая диаграмма с результатами автоматических измерений ряда параметров. Обилие и насыщенность графиков делает желательным размещение части информации на экране дополнительного дисплея.

Рис. 25. Анализ шины последовательных данных

Широкий выбор пробников

Подключение осциллографов к тестируемым устройствам осуществляется с помощью пробников. Приборы серии WavePro 7 Zi-A позволяют использовать около 30 типов пробников: пассивных, активных, высоковольтных, токовых, дифференциальных и т. д. Пробники имеют достаточную комплектацию. Некоторые из них показаны на рис. 26.

Рис. 26. Типовые пробники для осциллографов серии WavePro 7 Zi-A:
а) активные высокочастотные пробники ZS;
б) пассивные высоковольтные пробники PPE;
в) активные дифференциальные пробники серии AP

Заключение

Осциллографы серии WavePro 7 Zi-A — одни из лучших приборов в мире, сочетающих приемлемую для широкополосных приборов стоимость с полосой частот до 6 ГГц. Приборы служат основой для рабочих мест по исследованию и тестированию сверхскоростных электронных устройств [3], технологий и компонентов.