Первый его вопрос был: «Почему вы используете осциллограф с дискретизацией для этого эксперимента?» Этот вопрос совершенно застал меня врасплох. Я начал размышлять, в чем разница между осциллографом с дискретизацией и осциллографом реального времени, для каких целей они используются и в чем их области пересечения.
Осциллографы реального времени часто называют цифровыми осциллографами с памятью (DSO) или осциллографами со смешанными сигналами (MSO). Большинство представленных на рынке осциллографов являются осциллографами реального времени. Эти осциллографы обычно имеют полосу пропускания от нескольких МГц до десятков ГГц, а их цены варьируются от нескольких сотен до нескольких тысяч евро. Осциллографы с дискретизацией, обычно называемые цифровыми анализаторами связи (DCA), как правило, имеют полосу пропускания от десятков ГГц и в основном используются для анализа высокоскоростных последовательных шин, оптических устройств и тактовых сигналов. Однако с увеличением полосы пропускания осциллографы с дискретизацией и осциллографы реального времени начали частично совпадать в ряде областей применения.
Путь к оцифровке осциллографов реального времени и осциллографов с дискретизацией, по сути, одинаков. Входной сигнал проходит через схему обработки сигнала осциллографа, оцифровывается, сохраняется в памяти, а затем отображается на экране. Однако используемые в каждом случае технологии совершенно различны.
Осциллографы реального времени
: как работают осциллографы реального времени? Осциллографы реального времени включают в себя триггерные микросхемы (ASIC), которые позволяют пользователям задавать конкретные интересующие события, такие как повышение порогового напряжения, установка и нарушение режима удержания или запуск по заданному шаблону. В обычном режиме сбора данных, когда триггерная схема осциллографа обнаруживает такое событие, осциллограф захватывает и сохраняет последовательные точки выборки вокруг этой точки запуска и обновляет дисплей захваченными данными. Осциллографы реального времени могут работать в однократном или повторяющемся режиме. В однократном режиме осциллограф захватывает и отображает одну последовательность выборок, определяемую глубиной памяти и частотой дискретизации, заданными на осциллографе. Пользователь может прокручивать и масштабировать любое интересное событие, наблюдаемое в процессе сбора данных осциллографом после того, как он зафиксирует одну трассу. В непрерывном режиме «работы» осциллограф непрерывно захватывает и отображает каждое условие, соответствующее заданному триггеру осциллографа. Переменная или бесконечная инерция позволяет накладывать последовательные снимки сигнала на исходный сигнал. Часто используется повторяющийся режим, поскольку он обеспечивает отображение состояния тестируемого устройства в реальном времени. Измерения, такие как время нарастания или ширина импульса, а также анализы, такие как математические вычисления или БПФ, могут выполняться в однократном режиме или в течение периода повторяющихся измерений. Большинство осциллографов реального времени с полосой пропускания ниже 6 ГГц имеют входы как 1 МОм, так и 50 Ом, что позволяет использовать их с широким спектром пробников и кабелей.
Осциллографы реального времени определяются тремя основными характеристиками: полосой пропускания, частотой дискретизации и глубиной памяти. Однако очевидно, что при выборе осциллографа реального времени следует учитывать множество других важных характеристик.
Осциллографы с большой памятью обладают следующими тремя существенными преимуществами:
1. Большая память позволяет захватывать более длительный временной интервал при определенной частоте дискретизации. Объем памяти определяет количество выборок, которые можно сохранить за одно измерение, и, следовательно, временной интервал захвата. Чем больше выборок можно получить за одно измерение, тем выше вероятность того, что в этом измерении произошло какое-либо постороннее событие.
2. Большая память позволяет пользователям поддерживать более высокую частоту дискретизации при более медленной временной развертке, повышая точность измерений. Например, при объеме памяти 10 Мточек и частоте дискретизации 10 Гвыборок/с горизонтальная настройка 1 мкс/дел будет использовать 1 Гт данных (это абсолютный предел для многих современных осциллографов). Если пользователь переключится на настройку временной развертки 10 мкс/дел, осциллограф будет производить выборку с частотой, составляющей одну десятую от исходной, для захвата того же временного интервала. Однако осциллограф со 100 Мбитами памяти позволил бы пользователю поддерживать высокую частоту дискретизации 10 Гвыборок/с, одновременно захватывая все 20-микросекундное временное окно.
3. Глубокая память обеспечивает более точные статистические измерения и вычисления. Анализируя отклонения времени нарастания, БПФ и измерения дрожания в широком диапазоне фронтов сигнала, мы обнаружили, что все измерения выигрывают от использования глубокой памяти.
Осциллографы с дискретизацией
: Как работают осциллографы с дискретизацией? Осциллографы с дискретизацией имеют уникальную конструкцию для захвата, отображения и анализа повторяющихся сигналов. Их возможности запуска также оптимизированы для повторяющихся сигналов. Осциллограф с дискретизацией захватывает серию несмежных выборок, разделенных во времени, когда обнаруживает первое условие запуска. Осциллограф задерживает точку запуска, захватывает следующую серию точек и отображает их на экране осциллографа вместе с первой серией точек. Он повторяет этот процесс, создавая форму сигнала в бесконечном, постоянном режиме посредством последовательных измерений. Одним из ключевых компонентов технологии является интерполяция триггера, которая контролирует временное разрешение между запусками для повышения точности измерений. Глубина памяти не критична и даже не нужна, поскольку в каждом триггере захватывается и обрабатывается лишь несколько точек. Частота дискретизации также не столь критична. Наиболее важным компонентом является точность измерения времени, прошедшего от первого условия срабатывания до следующего, которое несколько отстает от первого.
Осциллографы с дискретизацией против осциллографов реального времени.
Как уже упоминалось, полоса пропускания современных осциллографов реального времени превышает 60 ГГц, в то время как полоса пропускания осциллографов с дискретизацией превышает 90 ГГц. Поэтому для большинства цифровых приложений полоса пропускания больше не является самым простым методом выбора осциллографа. При этом не следует забывать, что цена также является определяющим фактором. Полнофункциональный осциллограф с дискретизацией 50 ГГц стоит менее 115 000 евро, в то время как цена осциллографа реального времени приближается к 300 000 евро. Разработчик должен проанализировать, оправдывает ли большая гибкость, предлагаемая осциллографом реального времени, более высокую цену.
Шум и отношение сигнал/шум.
Помимо упомянутых выше различий, существует множество других отличий между осциллографом с дискретизацией и осциллографом реального времени. Осциллографы с дискретизацией включают 14-битный АЦП и, следовательно, обеспечивают очень широкий динамический диапазон, позволяя анализировать сигналы в диапазоне от нескольких мВ до 1 вольта без ослабления. Именно поэтому осциллографы с дискретизацией демонстрируют очень низкий уровень шума при различных значениях деления напряжения. Динамический диапазон осциллографа реального времени ограничен 8 битами, но обычно он отображает эффективное число бит примерно 6. Из-за ограниченного отношения сигнал/шум вам потребуется использовать аттенюаторы для корректного отображения сигналов в диапазоне от нескольких мВ до нескольких вольт. На практике это означает, что осциллографы реального времени демонстрируют более высокий уровень шума, чем осциллографы с дискретизацией. Низкий уровень шума осциллографов с дискретизацией позволил им считаться «золотым стандартом» в области измерений. Однако осциллографы реального времени постоянно совершенствуются и начинают сокращать разрыв в плане целостности сигнала.
Частотная характеристика.
Еще один аспект, который следует учитывать при выборе между осциллографом реального времени и осциллографом с дискретизацией, — это их частотная характеристика. Осциллографы с дискретизацией обычно не используют цифровую обработку сигналов (DSP) для коррекции и поэтому демонстрируют медленно затухающую (аппаратную) частотную характеристику с более гауссовым распределением. Осциллографы реального времени могут использовать DSP и, следовательно, корректировать свою частотную характеристику. Например, модель Agilent DSOX93304Q использует плоскую частотную характеристику по всей полосе пропускания, что означает, что ее коэффициент усиления не будет изменяться более чем на 1 дБ в диапазоне частот осциллографа.
Частотные характеристики осциллографов реального времени могут различаться. Некоторые производители осциллографов предлагают до пяти различных характеристик, каждая из которых имеет свои особенности. Сравнительный анализ плоской характеристики и гауссовой характеристики дает два совершенно разных измерения. Гауссово затухание, например, может влиять на измерение и вызывать помехи между символами. Плоская частотная характеристика, быстро затухающая, может проявлять переходные колебания, если сигнал достаточно быстрый, чтобы превысить полосу пропускания осциллографа. В любом случае важно понимать, как аппаратное обеспечение может влиять на измерения.
Различия в захвате тактового сигнала:
Захват тактового сигнала — один из ключевых компонентов измерений на осциллографе. Захват тактового сигнала обеспечивает мониторинг в реальном времени, тестирование масок и разделение джиттера. Захваченный тактовый сигнал по сути является опорным тактовым сигналом, используемым для сравнения измерений. До недавнего времени осциллографы с дискретизацией полагались исключительно на аппаратное обеспечение для захвата тактового сигнала. Это означало, что независимо от того, был ли это явный тактовый сигнал или внутренний тактовый сигнал 10 МГц, предоставляемый осциллографом с дискретизацией, система захвата была подвержена ошибкам. Ситуация изменилась, поскольку осциллографы Agilent с дискретизацией теперь предлагают программную систему захвата тактового сигнала, идеально подходящую для точного захвата тактового сигнала. Осциллографы реального времени почти всегда используют программный захват тактового сигнала, но они также предлагают возможность явного захвата тактового сигнала. Преимущество программного захвата тактового сигнала заключается, опять же, в том, что он не подвержен аппаратным ошибкам, а размещает фронты сигнала там, где они должны быть, независимо от скорости передачи данных.
Помимо различий между аппаратным и программным захватом тактовой частоты, необходимо также учитывать используемый алгоритм захвата тактовой частоты. В осциллографах с дискретизацией обычно используется функция передачи джиттера (JTF), тогда как в осциллографах реального времени — оптическая функция передачи джиттера (OJTF). OJTF обрезает больше низкочастотного джиттера, чем JTF. Поэтому показания джиттера на осциллографах реального времени значительно ниже, чем на осциллографах с дискретизацией. Эти показания можно восстановить, просто переключив оба осциллографа на одну и ту же функцию передачи. Благодаря недавним достижениям в технологии осциллографов с дискретизацией это стало возможным и значительно упрощает сравнение джиттера.
Когда использовать осциллограф с дискретизацией, а когда — осциллограф реального времени:
Исторически осциллографы с дискретизацией предлагали гораздо больше преимуществ, чем осциллографы реального времени, с точки зрения максимальной полосы пропускания и присущего им джиттера. Однако за последнее десятилетие осциллографы реального времени сократили этот разрыв до такой степени, что пользователи, проводящие тестирование трансиверов, могут выбирать между осциллографом реального времени и осциллографом с дискретизацией. Осциллограф с дискретизацией по-прежнему демонстрирует меньший джиттер и гораздо больший динамический диапазон, что делает его идеальным для характеризации в контролируемой среде. При условии, что сигнал воспроизводим или может быть зафиксирован визуально в реальном времени, осциллограф с дискретизацией обеспечит точное представление вашего сигнала.
В случае с осциллографом реального времени его гибкость делает его привлекательным. Если пользователь выполняет задачи отладки и хочет запускать процессы на основе труднообнаружимых событий, осциллограф реального времени идеально подходит. Пользователи осциллографов реального времени могут выбирать из широкого спектра применений для проверки соответствия стандартам, декодирования и запуска протоколов, а также анализа. Осциллограф реального времени также может измерять дрожание сигнала в отдельных измерениях, что делает его отличным вариантом для анализа первопричин сбоев. Большинство методов внедрения стандартов также используют осциллографы реального времени для тестирования передатчиков, а это означает, что пользователю может потребоваться использовать осциллограф реального времени, чтобы убедиться в соответствии своих устройств стандартам.
В заключение
, осциллографы реального времени — отличный выбор для большинства приложений. Эти осциллографы доступны в широком диапазоне полос пропускания, могут регистрировать как однократные события, так и повторяющиеся сигналы, а также улучшились в высокочастотных измерениях, таких как джиттер и характеристика передатчика. Если ваше приложение включает повторяющуюся форму сигнала, требующую меньшего джиттера и высокого динамического диапазона, оптимальным выбором будет осциллограф с дискретизацией. Осциллографы с дискретизацией также обладают преимуществом более низкой начальной стоимости и модульной модернизации, что делает их подходящим вариантом для тестирования в электротехническом и оптическом производстве. Если вы работаете с частотами выше 20 ГГц и не уверены, какой тип осциллографа выбрать, мы рекомендуем обратиться к поставщику осциллографов, который предлагает как осциллографы с дискретизацией, так и осциллографы реального времени. Они разделят ваши интересы и предложат устройство, наилучшим образом отвечающее вашим потребностям, в отличие от поставщика, который предлагает только осциллографы реального времени или имеет ограниченный выбор осциллографов с дискретизацией.
Авторы:
Джоэл Вудворд и Бриг Асай. Подразделение осциллографов компании Agilent Technologies
