Широкополосные осциллографы АКИП-4133 и АКИП-4133/1 c полосой пропускания 16 ГГц

В статье рассмотрены принципы построения новых широкополосных цифровых осциллографов АКИП-4133 и АКИП-4133/1. Приборы имеют четыре или два канала соответственно, полосу пропускания 16 ГГц, частоту дискретизации в реальном времени 500 МГц/канал при разрядности АЦП 12 бит, внутреннюю и внешнюю синхронизацию, а также временное разрешение 400 фс в режиме эквивалентного времени. При сравнительно малой стоимости осциллографы занимают промежуточное положение между двумя традиционными типами осциллографов - цифровыми осциллографами реального времени и стробоскопическими осциллографами.

Немного истории

Являясь наиболее распространенным радиоизмерительным прибором для разработчиков и производителей электронного оборудования, осциллограф позволяет точно и быстро регистрировать, отображать, измерять и анализировать электрические сигналы. Польза осциллографов ограничивается далеко не только миром электроники. В сочетании с соответствующими датчиками-преобразователями осциллографы могут измерять различные физические величины – механические, акустические, оптические и многие другие.

Сегодня все разрабатываемые осциллографы являются цифровыми. Однако, несмотря на большую номенклатуру их технических характеристики, трудно не согласиться с тем, что полоса пропускания является наиважнейшей.

Когда вы выбираете осциллограф для измерения сигналов в полосе частот до 100 МГц, вы определенно понимаете, что здесь понадобится осциллограф с полосой пропускания, по крайней мере, 150 МГц. В этом диапазоне частот вы, пожалуй, обойдетесь затратами меньшими $1K.

Если же ваши задачи лежат в диапазоне частот до 1 ГГц, без наличия осциллографа с полосой пропускания 1.5 ГГц ваша ситуация будет критической, и это потребует затрат уже свыше $15K.

Так же выглядит положение, когда вам необходимо анализировать процессы, лежащие в диапазоне частот до 10 ГГц или анализировать импульсы длительностью 100 пс! И, хотя такие задачи уже сравнительно давно не являются чем-то экзотическим, скорости стандартной логики перешагнули рубеж 40 ГГц, а современные коммуникационные стандарты требуют еще больших тактовых частот, вам определенно потребуется бюджет близкий к $180K.

Прекрасно понимая важность борьбы за полосу пропускания, в начале 1960-х годов были созданы первые стробоскопические осциллографы, полоса пропускания которых уже к середине 1970-х годов достигла 18 ГГц. При этом наиболее широкополосные универсальные аналоговые осциллографы с полосой пропускания 1 ГГц появились только в 1979 году. С середины 1980-х годов аналоговые осциллографы повсеместно заменялись на цифровые запоминающие, в то время как цифровые стробоскопические выпускаются до настоящего времени.

Первые цифровые запоминающие осциллографы с полосой пропускания 15 ГГц и выше появились в конце первого десятилетия 2000-х годов, т.е. приблизительно 10 лет назад. В настоящее время стробоскопические осциллографы достигли полосы пропускания 100 ГГц, а цифровые осциллографы – даже 110 ГГц. Таким образом, если в начале 1980-х годов соотношение полосы пропускания стробоскопических и аналоговых осциллографов составляло 18:1, то сегодня их полосы пропускания практически сравнялись.

Ко второй половине 1990-х годов выкристаллизовалось понятие цифрового осциллографа реального времени, базирующееся на критерии Найквиста. Согласно теореме Найквиста (применительно к осциллографии) сигнал после его регистрации может быть корректно реконструирован и отображен без искажений, если полоса пропускания осциллографа меньше половины частоты дискретизации, причем дискретные значения должны быть получены через равные промежутки времени.

Создание новых АЦП с частотой стробирования десятки гигагерц представляло собой серьёзную техническую проблему, поэтому стробоскопические осциллографы долгое время являлись незаменимыми. Даже сегодня у рядового потребителя отсутствует практическая возможность приобрести АЦП с частотой дискретизации выше 10 ГГц у наиболее известных производителей электронных компонентов.

С повышением полосы пропускания и частоты дискретизации на первые позиции выдвинулась проблема стоимости приборов, связанная не только с требованиями высоких технических характеристик, но и с определенной политикой основных производителей. Соотношение стоимости цифрового осциллографа реального времени и стробоскопического осциллографа, имеющих одинаковую канальность и полосу пропускания, уже превышает три раза.

Рынок осциллографов с полосой пропускания близкой к 16 ГГц

В настоящее время серийно стробоскопические осциллографы с полосой пропускания 15-30 ГГц выпускают только три компании – Keysight, Tektronix и Pico Technology, причем последняя, продает приборы, разработанные и производимые предприятием Eltesta. В настоящее время LeCroy с рынка стробоскопических осциллографов ушел.

Схожая ситуация наблюдается на рынке цифровых осциллографов с полосой пропускания, близкой к 16 ГГц. Там присутствуют Keysight, Teledyne LeCroy, Tektronix и Rohde & Schwartz, а в настоящее время к ним присоединились Pico Technology и ПРИСТ, распространяющие продукцию Eltestа.

Отдельно необходимо упомянуть класс широкополосных анализаторов сигналов, ориентированных только на коммуникационные измерения. Здесь присутствуют Keysight, Anritsu и MultiLane. По нашему мнению, такие приборы не являются осциллографами уже хотя бы потому, что минимальная частота синхронизации у них превышает 500 МГц, т.е. эти приборы не могут считаться универсальными.

Следует отметить, что осциллограф АКИП-4133 назван как широкополосный осциллограф (wide-bandwidth oscilloscope). В процессе его разработки рассматривались также такие названия, как „Near real-time oscilloscope“ и SXRTO („Sampler-extended real-time oscilloscope“).

Реальное время, эквивалентное время и не только

В настоящее время известны следующие основные методы сбора широкополосных сигналов с помощью осциллографов:

1. Режим дискретизации в реальном времени (real-time sampling).
2. Режим дискретизации со случайным стробированием в эквивалентном времени (random equivalent-time sampling, random interleaved sampling).
3. Режим дискретизации с последовательным стробированием в эквивалентном времени (sequential equivalent-time sampling, традиционные стробоскопические осциллографы).
4. Технология с чередованием полос пропускания (Digital Bandwidth Interleave).
5. Режим когерентной чередующейся выборки (Coherent Interleaved Sampling).
6. Режим прецизионной временной базы (Low Jitter или Precision Time Base).

Осциллограф АКИП-4133 использует первые два вида дискретизации – в реальном времени и со случайным стробированием эквивалентном времени. Сделано это, прежде всего, потому, что оба режима обеспечивают универсальность, а также вертикальное и горизонтальное разрешения, типичные для высокопроизводительных широкополосных универсальных осциллографов, однако, по принципиально более доступной цене.

Чтобы понять, каким образом это достигается, необходимо обратиться к структурным схемам цифрового запоминающего осциллографа (ЦЗО). В ЦЗО аналоговый сигнал дискретизируется и оцифровываются с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), превращаясь в мгновенную выборку, которая в дальнейшем запоминается в памяти осциллографа. Разрядность АЦП определяет разрешающую способность по напряжению, или разрешение по вертикали, в то время, как количество выборок, взятых за один или несколько циклов сбора входного сигнала, определяет разрешающую способность по времени, или разрешение по горизонтали, что определяет в итоге интегральную точность измерений. Если в процессе дискретизации полученное количество выборок недостаточно, цифровая реконструкция формы сигнала не будет являться точным представлением исходного аналогового сигнала, т.е. она не будет верной. Это актуально как для реального, так и для эквивалентного режимов дискретизации.

Дискретизация в реальном времени

При дискретизации в реальном времени осциллограф производит выборку всего сигнала за один цикл сбора. Поэтому такой режим дискретизации идеально подходит для сбора однократных или редко-повторяющихся сигналов (рис.2).

Осциллограф АКИП-4133 содержит четыре 12-разрядных АЦП, имеющих максимальную частоту дискретизации 500 МГц. Это означает, что такой осциллограф позволяет зарегистрировать четыре независимых однократных сигнала, содержащих высокочастотные компоненты до 250 МГц.

Необходимо отметить, что именно высокая частота дискретизации в большей степени, чем входные аналоговые узлы, влияет на стоимость прибора, накладывая существенные ограничения при его разработке. Во избежание этого в осциллографе АКИП-4133 был использован режим дискретизации со случайным стробированием в эквивалентном времени, отличающийся чрезвычайно высоким временным разрешением, равным 400 фс.

Дискретизация со случайным стробированием в эквивалентном времени

Несколько несложных расчетов показывают необходимые требования к временному разрешению осциллографа с полосой пропускания 16 ГГц.

Такой осциллограф пригоден для измерения глаз-диаграмм с тактовой частотой приблизительно в 2 раза меньшей, чем полоса пропускания осциллографа, т.е. 8 ГГц. Период этой последовательности равен 125 пс, и может быть отображен на шести делениях горизонтальной шкалы приблизительно 20 пс/деление. Для качественного измерения глаз-диаграммы необходимо, по крайней мере, 300 точек, т.е. временное разрешение осциллографа должно быть 400 фс. Это в 5000 раз выше, чем частота стробирования осциллографа в реальном времени.

Другой пример показывает сколько точек могут быть использованы при оценке собственной переходной характеристики при подобном же разрешении. Осциллограф с полосой пропускания 16 ГГц имеет собственное время нарастания переходной характеристики на уровне 10%-90% приблизительно 22 пс, что будет соответствовать 55 точкам отсчета по горизонтали.

Безусловно, дискретизация со случайным стробированием в эквивалентном времени может быть использована только для повторяющихся сигналов или для таких псевдо- повторяющихся сигналов, как глаз-диаграмма. Однако множество быстродействующих сигналов именно такими и являются, или их можно сделать такими при выполнении тестов, поэтому круг задач, решаемых при таком сборе может быть чрезвычайно широким.

В режиме случайного стробирования в эквивалентном времени АЦП стробируется на внутренней 500-МГц тактовой частоте, асинхронной по отношению как ко входному сигналу, так и по отношению к сигналу синхронизации (рис.3). Выборки сигнала делаются независимо от сигнала синхронизации, однако в дальнейшем их положение относительно момента синхронизации определяется с помощью временного интерполятора - высокоточного измерителя однократных временных интервалов.

Интерполятор измеряет временной интервал между синхроимпульсом и следующим за ним строб-импульсом с разрешением 400 фс и, хотя строб-импульсы являются последовательными, они являются случайными по отношению ко входному сигналу. Отсюда и термин, который получила эта технология сбора, - „случайное стробирование“.

Отметим еще два преимущества осциллографа АКИП-4133 по сравнению, например, с традиционными стробоскопическими осциллографами. Во-первых, прибор имеет внутреннюю синхронизацию, а во-вторых – он не требует опережающего сигнала синхронизации и позволяет работать с предзаписью. Возможность сбора и просмотра информации, предшествующей запуску, является неоценимым помощником такого прибора при поиске неисправностей, и позволяет разработчику эффективно находить их причины, чего не обеспечивает традиционный стробоскопический осциллограф.

Сравнительные характеристики различных типов осциллографов

В таблице 1 приведены сравнительные характеристики трех типов четырехканальных USB осциллографов - осциллографа реального времени АКИП-76404D, осциллографа реального времени со случайным стробированием в эквивалентном времени АКИП-4133 и стробоскопического осциллографа с последовательным стробированием в эквивалентном времени АКИП-4132/9.

Таблица 1. Сравнительные характеристики USB-осциллографов реального времени, цифровых осциллографов эквивалентного времени со случайным стробированием и стробоскопических осциллографов эквивалентного времени с последовательным стробированием

Для сравнения приведем технические и ценовые характеристики настольных четырехканальных широкополосных осциллографов реального времени, поставляемых ведущими производителями.

1. Keysight, DSOV164A: 16 ГГц, 4 канала, 80/40 ГГц, 2 Гвыб, $226500.
2. Tektronix, DPO 71604 C : 16 ГГц, 4 канала, 100/50 ГГц, 31.25 Mвыб – 250 Mвыб, $256500.
3. LeCroy, WaveMaster 816Zi-B: 16 ГГц, 4 канала, 80/40 ГГц, 32 Mвыб – 256 Mвыб, 2 Гвыб, $204970
   

Структурная схема осциллографа АКИП-4133

Обобщенная структурная схема осциллографа АКИП-4133 показана на рис. 4а. Основными узлами прибора являются система сбора данных сигналов, многофункциональный ПЛИС, микроконтроллер с USB- и LAN- интерфейсами, а также источник питания. Собственно, прибор питается от 12-вольтового сетевого адаптера. Управление работой осуществляется по интерфейсу USB. Система сбора данных содержит четыре идентичных канала, устройство синхронизации и интерполятор. Их работа описана ниже.

Канал вертикального отклонения

Сердцем каждого из четырех каналов осциллографа является широкополосное устройство „выборки и хранения“, запоминающее аналоговое напряжение на входе канала в момент времени, определяемым приходом строб-импульса частотой 500 МГц. Полоса пропускания каждого из каналов составляет 16 ГГц. Структурная схема канала вертикального отклонения приведена на рис. 4б.

Входной сигнал разветвляется на симметричном полосковом резистивном делителе напряжения. Одна половина сигнала поступает на УВХ, другая - на компаратор синхронизатора. Входное сопротивление канала равно (50±1,5) Ом. При максимально допустимом входном напряжении ±1,4 В динамический диапазон входных сигналов составляет ±0,8 В.

Осциллограф АКИП-4133 обеспечивает три режима полосы пропускания. Их переходные характеристики приведены на рис.5. В режиме широкой полосы пропускания прибор имеет 16 ГГц при типовом среднеквадратическом значении уровня собственных шумов менее 2,2 мВ. В этом режиме УВХ работает в своем традиционном режиме „выборки и хранения“. В режиме средней полосы УВХ работает в режиме „прозрачности“, обеспечивая полосу пропускания 450 МГц при уровне шумов 0,65 мВ. В режиме узкой полосы в тракте используется дополнительный усилитель, обеспечивающий полосу пропускания 100 МГц при уровне шумов 0,45 мВ.

На рис.6 приведены частотные характеристики, измеренные на шестнадцати рабочих каналах четырех осциллографов. Из графиков очевидно, что полоса пропускания, определяемая, как диапазон частот, в пределах которого ослабление сигнала не превышает -3 дБ относительно величины сигнала на опорной частоте 10 МГц, на всех каналах превышает 16 ГГц.

Скорость воспроизведения импульсного сигнала в осциллографе характеризуется временем нарастания переходной характеристики, которую определяют, как время нарастания изображения импульса от уровня 10% до уровня 90% амплитуды. Осциллограф с полосой пропускания 16 ГГц должен обладать расчетным временем нарастания, близким к 22 пс.

Для проверки этого параметра необходимо использовать перепад напряжения с длительностью фронта 7-8 пс, что на практике осуществить достаточно сложно. На рис. 7 приведена суммарная переходная характеристика осциллографа АКИП-4133 и генератора импульсов АКИП-3308/3 с отобранным формирователем перепада напряжения, имеющим длительность фронта приблизительно 20 пс. Суммарное время нарастания пары осциллограф/генератор составляет 30,31 пс.

Как устройство „выборки и хранения“, так и усилители, используемые в осциллографе, отличаются высокой линейностью. 12-разрядный АЦП позволяет изменять коэффициенты отклонения от 10 до 250 мВ/деление, сохраняя при этом типовое значение погрешности измерения напряжения менее ±1,5% от полного номинала шкалы. На рис.8 приведена осциллограмма автоматического измерения амплитуды прямоугольного импульса. При установленной на источнике сигнала амплитуде импульса, равной 700 мВ, измеренное значение составляет 703,1 мВ, что соответствует погрешности 0,44%.

Дифференциальная структура устройства „выборки и хранения“, позволила просто и эффективно обеспечить подачу напряжения компенсации. Оно изменяется от -1 В до +1 В для любого коэффициента отклонения с типовой погрешностью ±1%, при этом уход нуля не превышает 1 мВ.

Система высокочастотной синхронизации

Одной из ключевых проблем при разработке столь широкополосного осциллографа, как АКИП-4133, стало создание синхронизатора, обладающего предельно низким значением нестабильности синхронизации. Трудности, прежде всего, были связаны со следующими причинами.

Во-первых, АКИП-4133 не является осциллографом реального времени, удовлетворяющим критерию Найквиста во всей полосе пропускания. Поэтому использование так называемого программного режима синхронизации не представлялось возможным.

Во-вторых, не предполагалась разработка синхронизатора, как законченной БИС, что значительно удорожило бы разработку. В итоге синхронизатор был создан на базе наиболее быстродействующих интегральных микросхем, обладающих скоростями переключения 6-10 ГГц и крутизной выходных перепадов свыше 4 В/нс.

Структурная схема синхронизатора приведена на рис. 10. Осциллограф обеспечивает внутреннюю синхронизацию в полосе частот до 5 ГГц от любого из четырех каналов (рис. 9). Входные быстродействующие компараторы позволяют регулировать уровень синхронизации и гистерезис, обеспечивая чувствительность лучше 50 мВ.

В режиме прямой внутренней синхронизации возможно выбрать любую из полярностей синхронизации, а также использовать двухполярный режим, который позволяет регистрировать так называемые псевдо глаз-диаграммы. Такой режим может быть использован до 2,5 ГГц.

Для расширения диапазона внутренней синхронизации до 5 ГГц в осциллографе предусмотрен режим с делителем частоты. Этот режим особенно актуален при измерениях на таких популярных диапазонах тактовых частот, как 2,5 ГГц и 3,25 ГГц.

Отличительной особенностью осциллографа АКИП-4133 является возможность синхронизации предельно короткими импульсами. Это актуально как при регистрации простых импульсных сигналов, так и при анализе высокочастотных последовательностей. На рис. 11 приведен пример синхронизации коротким импульсом длительностью менее 81 пс. Импульсы такой длительности являются самыми короткими в последовательности, имеющей тактовую частоту 12,5 Гбит/с.

В режиме внутренней синхронизации существует возможность восстановления тактовой частоты ПСП последовательности. Такой режим необходим для отображения последовательности в форме глаз-диаграммы и ее дальнейшего анализа. Осциллограф АКИП-4133 позволяет восстанавливать тактовые частоты последовательностей от 10 Мбит/с до 11,3 Гбит/c, тем самым обеспечивая перекрытие наиболее популярных тактовых частот коммуникационных стандартов.

На рис. 12 приведена глаз-диаграмма 8-Гбит/c последовательности, зарегистрированная в режиме внутренней синхронизации с восстановлением тактовой частоты.

Во всей полосе пропускания 16 ГГц синхронизация обеспечивается при использовании дополнительного внешнего входа делителя частоты. Используемый в осциллографе делитель частоты обладает программируемым коэффициентом деления от 1 до 16, а также малым аддитивным фазовым шумом, помогающим добиться низкого уровня нестабильности синхронизации. На рис. 13 показана осциллограмма гармонического сигнала частотой 16 ГГц снятая в режиме экранного накопления.

Общая нестабильность синхронизации осциллографа определяется суммарной нестабильностью синхронизатора и интерполятора развертки. Анализ обеих составляющих показывает, что каждый из этих двух узлов имеет собственную среднеквадратическую временную нестабильность, близкую к 1 пс, что в сумме дает около 1,5 пс. Для минимизации этого значения при разработке серьезное внимание уделялось топологии печатной платы, особенно исключению влияния шумов и посторонних наводок. Даже на предельных скоростях (например, 4 В/нс) передаваемые сигналы все еще являются восприимчивыми к шумам. Незначительная шумовая составляющая может привести к значительной величине нестабильности синхронизации. Например, аддитивный шум величиной 1 мВ может привести к дополнительной нестабильности на одном каскаде порядка 0,25 пс, что на десяти последовательно соединенных каскадах уже дает дополнительное значение, превышающее 0,75 пс. Поэтому большинство полосковых линий передачи сигналов выполнены низкоомными и дифференциальными

В заключение упомянем функцию блокировки синхронизации. При изменении времени блокировки, эта функция обеспечивает стабильное отображение комплексных, но повторяющихся сигналов, таких, например, как ПСП или ТВ сигналы, имеющие кадровую и строчную структуру (рис. 14). Осциллограф АКИП-4133 позволяет изменять время блокировки от 500 нс до 15 с шагом 4 нс, а также на установленное число событий.

Измеритель временных интервалов с субпикосекундным разрешением

В осциллографах, работающих в режимах реального времени и случайного стробирования в эквивалентном времени тактовая частота дискретизации асинхронна по отношению ко входному сигналу синхронизации. Для правильного сбора данных о временной координате сигнала в этом режиме используется измеритель временных интервалов (интерполятор).

Структурная схема подобного интерполятора показана на рис.15.

Интерполятор измеряет интервал времени между синхроимпульсом и вторым следующим за ним импульсом тактовой частоты. Такой интерполятор имеет две особенности.

Во-первых, это - измеритель однократных, а точнее не повторяющихся временных интервалов, поскольку асинхронность появления сигнала синхронизации и тактового сигнала варьируется от сбора к сбору.

Во-вторых, такой интерполятор обладает высоким временным разрешением, равным 400 фс, что соответствует эквивалентной частоте стробирования 2.5 ТГц. Сигнал, поступающий со схемы синхронизатора и имеющий максимальную частоту 2 МГц, определяемую временем блокировки развертки, запускает генератор пилообразного напряжения с рабочим ходом приблизительно 5 нс. Это пилообразное напряжение останавливается вторым тактовым импульсом частоты 500 МГц (рис.16).

Схема стробирования (остановки) представляет собой два быстродействующих последовательно включенных D-триггера, так что их выходной сигнал оказывается задержанным на величину от одного до двух значений периода тактового сигнала, т.е. от 2 нс до 4 нс. В момент появления асинхронного задержанного сигнала остановки рост пилообразного напряжения прекращается, и через 25 нс остановленное значение пилообразного напряжения измеряется 14-разрядным АЦП последовательного приближения. Калибровка интерполятора обеспечивает 5000 точек, приходящихся на временной интервал 2 нс, или 400 фс на точку. Среднеквадратическое значение временной нестабильности интерполятора не превышает 1 пс, а нелинейность – не превышает 3 пс (рис.17).

Фактически рассмотренный интерполятор представляет собой преобразователь интервала времени в цифровой код. Такому преобразователю свойственна систематическая ошибка, связанная с несоответствием полного размаха кода преобразования 2-нс временному интервалу. Ее внешнее проявление выглядит, как разрывы на сигнале, повторяющиеся каждые 2 нс (рис. 18). Для ее устранения используется специальная процедура калибровки, использующая гистограмму распределения вдоль горизонтальной оси.

Режимы сбора сигналов

Наряду с режимом стробирования в реальном времени и режимом случайного стробирования в эквивалентном времени осциллограф обладает целым рядом режимов сбора, значительно расширяющие возможности его применения. В режиме самописца длительность развёртки может быть доведена до 1000 с/дел. Режим усреднения эффективно снижает уровень шумов и нестабильности синхронизации, причем число усреднений может изменяться до 4096 (рис. 19).

Режим выделения огибающей сигнала позволяет детектировать максимальное, минимальное или оба этих значения сигналов. На рис. 20 показан пример того, как этот режим позволяет детектировать огибающую амплитудно-модулированного сигнала с длительностью фронта 8 нс.

В режиме реального времени осциллограф позволят осуществлять пиковое детектирование, повышенную разрядность сбора данных, а также использовать так называемый сегментированный режим работы с памятью сигнала.

В режиме пикового детектирования осциллограф отображает максимальное и минимальное значения из всех выборок, содержащихся в двух последовательных интервалах сбора данных. Этот режим применяется для поиска коротких импульсов на длинных развертках.

В режиме повышенной разрядности осциллограф рассчитывает среднее значение всех выборок для каждого интервала регистрации. В этом режиме высокое разрешение (до 16 бит) обеспечивается за счет снижения полосы пропускания.

Сегментированный режим используют при необходимости сбора данных нескольких редко повторяющихся событий, для чего память осциллографа делят на сегменты. Это позволяет использовать память только для нужных частей сигнала, игнорируя ненужные, т.е. происходит экономия памяти сигнала.

Растяжка сигналов по памяти

Благодаря длинной памяти режим растяжки позволяет просматривать и сравнивать до четырех увеличенных по вертикали и по горизонтали участков осциллограммы одновременно. При этом имеется возможность смещать растянутые сигналы как по вертикали, так и по горизонтали (рис. 21). Максимальная растяжка по вертикали составляет 100, а по горизонтали – 2048.

Отображение сигналов

Отображение сигналов включает такие функции, как послесвечение, различные форматы экрана и его шкал, а также регулировки цвета.

В режиме послесвечения осциллограф обновляет отображение вновь собранными сигналами, но результаты предыдущих регистраций стирает не сразу, а по истечении установленного времени послесвечения, которое может быть выбрано от 0.1 до 20 с. Все предыдущие регистрации отображаются с пониженной яркостью, а новые регистрации отображаются обычным цветом с нормальной яркостью.

В режиме “градации серым” (рис. 22) осциллограф использует пять различных степеней интенсивности одного цвета. В процессе запоминания различная интенсивность выбранного цвета зависит от количества попаданий точек сигнала в данный пиксел осциллограммы. Интенсивность накапливается между их возможными минимальным и максимальным значениями. Максимальные значения попаданий автоматически получает наивысшую цветовую яркость, в то время, как минимальные значения попаданий – низшую. Информация о зонах сигнала с наименьшим значением попаданий может представлять значительный интерес при изучении шумов, временных нестабильностей, а также составляющих дрейфа исследуемого сигнала. Период обновления может быть выбран от 1 до 200 с.

В режиме “градации цветом” (рис. 23) отображение формируется накопленными точками, имеющими различные цвета. Цвет индицирует плотность попадания точек сигнала в данный пиксел осциллограммы. Режим градации цветом полезно использовать при работе с гистограммами, глаз-диаграммами, масками, то есть при статистических измерениях. Его также используют при необходимости получить как можно больше визуальной информации о сигнале.

Режим “градации цветом” использует накопленную базу данных о сигналах, составляющую 257 точек по вертикали и 501 точку по горизонтали. За каждой точкой находится свой 28-разрядный счетчик. Любое попадание сигнала в точку экрана увеличивает значение кода, записанного в счетчик. Каждый цвет, используемый в режиме “градации цветом” представляет собой диапазон значений, записываемых в счетчик каждой точки в данный момент. В процессе сбора, когда общее число попаданий растет, растет и значение диапазона, соответствующего каждому цвету. Максимальное значение, записываемое в счетчик равно 268 435 455. Осциллограф АКИП-4133 использует пять цветов для формирования режима градации цветом. Каждый цвет может быть выбран из стандартного меню Windows. Период обновления здесь также может быть выбран от 1 до 200 с.

Функция отображения определяет, какое число независимых экранов будет использовано при отображении информации – один, когда вся информация отображается на одном совмещенном экране, два, когда вся информация отображается на двух одинаковых экранах или четыре, когда вся информация отображается на четырех одинаковых экранах. При этом любой из сигналов может быть перемещен на любой из экранов (рис. 24).

Для проведения фазовых измерений используют XY форматы отображения (рис. 25). В формате XY горизонтальная ось является осью напряжения одного из источников сигнала, в то время как вертикальная - является осью напряжения другого источника сигнала. В формате XY & YT отображаются осциллограммы обоих форматов - YT и XY. При этом формат YT расположен в верхней части экрана, а формат XY – в нижней части.

Формат XY используется для сравнения частот и или разности фаз между двумя сигналами, а также для отображения взаимной зависимости двух величин, например, тока от напряжения или напряжения от частоты.

Отметим также такой интересный формат, как “тандем”, при котором экран разделяется на несколько шкал не только по вертикали, но и по горизонтали (рис. 26).

Автоматические измерения параметров сигналов

Осциллограф АКИП-4133 обеспечивает широкий спектр автоматических измерений. Свыше 50 типов измерений, относящихся к четырем категориям, обеспечивают амплитудные, временные, межканальные и спектральные измерения.

До 10 измерений, включающих статистические, могут быть проведены одновременно (рис.27). При статистических измерениях осциллограф измеряет минимальное, максимальное, среднее и текущее значения, а также среднеквадратическое отклонение.

К амплитудным измерениям относятся такие параметры, как максимум, минимум, вершина, основание, размах, амплитуда, середина, среднее, среднее за период, среднеквадратическое значение, площадь, выброс и др.

К временным измерениям относятся период, частота, длительность положительного и отрицательного фронта, длительность импульса, длительность фронта и среза, скважность, и др.

К межканальным относятся измерения, выполняемые над двумя сигналами. К ним относятся задержка, фаза и ослабление (рис. 28).

Спектральные измерения выполняются при использовании БПФ и включают модуль, разность модулей, частоту и разность частот, а также коэффициент нелинейных искажений.

Все алгоритмы измерений базируются на таких вспомогательных параметрах, как уровень вершины и основания сигнала по вертикали, значения порогов, а также горизонтальные границы. Статистические уровни вершины и основания могут быть определены по гистограмме, заданы по минимуму и максимуму сигнала или выбраны произвольно оператором. Пороги используют при измерениях фронта и среза и устанавливают в процентах от амплитуды, единицах вертикальной шкалы или в делениях. Стандартными порогами являются 10%-50%-90 % и 20%-50%-80%. Границы задают произвольную часть шкалы по горизонтали, внутри которой выполняются измерения (рис. 29).

Маркеры

Маркеры представляют собой перемещаемые по экрану вертикальные или горизонтальные линии, а также перекрестия этих линий с сигналами. Маркеры позволяют проводить заказные измерения параметров сигналов, поскольку маркер можно установить в произвольную точку экрана (рис.30).

Координаты маркера отображаются исходя из масштабов шкалы по вертикали и горизонтали, что делает маркерные измерения более точными, чем измерения по шкале. Два Y-маркера измеряют абсолютное значение по вертикали и разность значений по вертикали (напряжение). Два X-маркера измеряют абсолютное значение по горизонтали (время), разность значений по горизонтали (время), а также эквивалентную ей частоту. Два XY-маркера совмещают маркер с сигналом, что делает измерения более точными, а также позволяет измерять крутизну между двумя точками пересечения маркеров с сигналами.

Наилучшая разрешающая способность при маркерных измерениях: напряжения - 80 мкВ, временного интервала - 0.1 пс. Относительные измерения с опорным маркером позволяют измерить фазу в градусах и процентах, а также отношение в децибелах.

Гистограммы

Гистограммы представляют собой статистическое представление сигнала или результатов его измерений. В осциллографе АКИП-4133 используют два типа гистограмм – вертикальную и горизонтальную.

Вертикальная гистограмма представляет собой вероятностное распределение собранных о сигнале данных вдоль вертикальной оси внутри заданного окна гистограммы. Информация, собранная такой гистограммой используется при статистическом анализе источника сигнала. Вертикальная гистограмма является наиболее приемлемым способом измерения характеристик шумов исследуемых сигналов (рис.31).

В перечень параметров как вертикальной, так и горизонтальной гистограммы входят: масштаб шкалы в событиях или в dB на деление, смещение гистограммы по горизонтали в событиях или в dB относительно ее основания, общее число событий внутри окна гистограммы, общее число сигналов, использованных при построении гистограммы, число событий, соответствующих пику гистограммы, ширина гистограммы, середина гистограммы, среднее значение гистограммы, значение стандартного отклонения, а также процент событий внутри интервала, отстоящего на ±1s, ±2s или ±3s от значения стандартной отклонения гистограммы.

Правильный выбор ширины горизонтального окна вертикальной гистограммы позволяет повысить точность измерения шумов для конкретной точки сигнала на оси времени.

Осциллограф АКИП-4133 имеет низкий уровень собственных шумов, зависящий от выбранной полосы пропускания. При полосе пропускания 16 ГГц его типовое среднеквадратическое значение не превышает 2,2 мВ, при полосе пропускания 450 МГц – 0,65 мВ, а при полосе пропускания 100 МГц – 0,45 мВ.

Горизонтальная гистограмма представляет собой вероятностное распределение собранных о сигнале данных вдоль горизонтальной оси внутри заданного окна гистограммы. Наибольшее применение горизонтальная гистограмма находит при измерении временной нестабильности отображаемых сигналов (рис.32).

Широкое применение гистограмма находит при измерениях глаз-диаграмм. Она, например, чрезвычайно чувствительна к поиску, например, так называемых двух- или многогорбовых глаз-диаграмм. Такие глаз-диаграммы возникают при искажениях, вызванных перекрестным влиянием одних битов последовательности данных на другие (рис.33).

Горизонтальная гистограмма позволяет проводить сравнительную оценку временной нестабильности глаз-диаграммы „от бита к биту“ (рис.34). Форма каждой из гистограмм дает экспресс информацию о причинах и временном положении точек, приводящих к нарушению целостности глаз-диаграммы.

Математическая обработка сигналов

Основываясь на данных о собранных сигналах, осциллограф АКИП-4133 позволяет провести одновременное вычисление до четырех математических функций. Любая математическая функция может быть выбрана в качестве оператора для одного или двух операндов (источников). Например, инверсия является одно-операндной функцией, в то время как сложение – двух-операндной. В качестве операндов могут быть выбраны живые сигналы, запомненные сигналы или другие математические функции.

В осциллографе используются несколько категорий математических функций. Это – арифметические (12 функций), алгебраические (14 функций), тригонометрические (12 функций), спектральные (6 функций), логические (7 функций) и др. Имеется возможность использования редактора формул.

К арифметическим относятся такие функции, как сложение, вычитание, умножение, деление, абсолютное значение, инверсия, полусумма, масштабирование и др. (рис. 35).

К алгебраическим относятся такие функции, как экспонента по основанию е, 10 или по произвольному основанию, логарифм по основанию е, 10 или по произвольному основанию, дифференцирование, интегрирование, квадрат, куб, квадратный корень и др. (рис.36).

К тригонометрическим относятся такие функции, как синус, косинус, тангенс, котангенс, арксинус, арккосинус, арктангенс, арккотангенс, гиперболический тангенс и гиперболический котангенс.

К спектральным относятся такие функции, как прямое быстрое преобразование Фурье (БПФ), его модуль и фаза, реальная и мнимая часть, а также обратное БПФ.

Для компенсации ограничений, свойственных БПФ, оператор должен использовать окна БПФ. Тип окна определяет полосу и крутизну соответствующего математического фильтра. Осциллограф поддерживает шесть типов окон БПФ. Прямоугольное окно БПФ, которое не изменяет данные о сигнале, собранные во временной области и пять окон БПФ, имеющих различную функцию фильтра во временной области - окно Хэмминга, окно Хэннинга, плоское окно, окно Блэкмана-Харриса и окно Кайзера-Бесселя.

К логическим относятся такие функции, как И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ, исключающее ИЛИ, исключающее ИЛИ-НЕ, а также НЕ.

В реальном масштабе времени при уменьшении соотношения между частотой стробирования и частотой входного сигнала возникают его искажения. Осциллограф обеспечивает функции линейной или Sin(x)/x интерполяции. Функция Sin(x)/x интерполяции эффективно восстанавливает форму входного сигнала (рис.37).

Tренд является математической функцией, показывающей характер изменения параметра сигнала во времени. По вертикальной оси здесь отложено значение выбранного параметра, а по горизонтальной – период сигнала, для которого был вычислен этот параметр.

В приведенном на рис.38 примере осциллограф измеряет период гармонического сигнала, используемого для калибровки развертки (фиолетовый). Функция тренда от измеряемого периода (голубой) является математической функцией этого сигнала. Амплитудные измерения функции тренда показывают эволюцию изменения значения периода, т.е. показывают величину нелинейности развертки в различных горизонтальных точках шкалы.

Измерения глаз-диаграмм

Глаз-диаграмма является эффективным графическим методом оценки качества последовательности цифрового сигнала. Результаты ее измерений являются интегральными характеристиками, описывающими качество канала передачи данных и его способность воспроизводить сигналы в неискаженном виде.

Известна зависимость между требуемой полосой пропускания осциллографа и максимальной скоростью потока данных. Для регистрации третьей гармоники потока — это соотношение равно 1,8, а для пятой гармоники – уже 3. Из этого следует, что осциллограф АКИП-4133, имеющий полосу пропускания 16 ГГц, зарегистрирует третью гармонику глаз-диаграммы 8,8 Гбит/с, и пятую гармонику глаз-диаграммы 5,3 Гбит/с.

В общем виде глаз-диаграммы бывают разноуровневыми (рис. 39).

 

Осциллограф АКИП-4133 измеряет двухуровневые глаз-диаграммы (рис.40). Типами таких диаграмм являются NRZ („Non-return-to-zero“, или „Без возврата к нулю“) и RZ („Return-to-zero“, или„С возвратом к нулю“).

 

Качественную глаз-диаграмму на экране осциллографа АКИП-4133 можно получить двумя способами.

Первый способ - когда на вход канала подается измеряемая последовательность, и она же выбирается и в качестве источника синхронизации, а в качестве стиля синхронизации выбирают „Clock recovery” или „Восстановление тактовой частоты“.

При этом способе диапазон скоростей достигает 11.3 Гбит/c. Второй способ - когда на вход канала подается измеряемая последовательность, а тактовый сигнал, используемый в качестве сигнала синхронизации подается на другой канал или на вход внешнего делителя частоты. В принципе, при втором способе нет необходимости использовать режим восстановления тактовой частоты, а диапазон скоростей может быть доведен до 16 Гбит/c.

Для проведения правильных измерений глаз-диаграмма автоматически устанавливается таким образом, чтобы по вертикали ее размер составил четыре больших деления, а по горизонтали – шесть больших делений (рис. 41).

Если после установки масштабов глаз полностью открыт и принимает форму близкую к прямоугольной -— канал передачи сигнала идеален. По мере увеличения шумов, фазовых дрожаний, увеличения длительности фронтов, низкочастотных и других видов искажений „глаз“ прикрывается. При полностью закрытом глазе различение битов последовательности становится затруднительным.

Осциллограф АКИП-4133 может измерять 27 вертикальных и 15 горизонтальных параметров NRZ глаз-диаграммы, причем десять из них одновременно (рис. 42 и 43).

Осциллограф АКИП-4133 позволяет также измерять 26 вертикальных и 17 горизонтальных параметров RZ глаз-диаграммы, причем десять из них одновременно (рис.44).

Тестирование по маске

Этот тест используется при необходимости контроля формы измеряемых сигналов. Такие сигналы могут быть довольно сложными по форме, как например глаз-диаграммы, а количество возможных аномалий сигнала может быть значительным, что вызывает трудности при проведениях стандартных измерений.

Тест находит широкое применение в производстве, при контроле качества продукции, а также при ее тестировании на соответствие требованиям стандартов. Тест работает по принципу годен/не годен.

Маски представляют собой геометрические фигуры, показывающие допустимые области экрана, в которые не должны попасть исследуемые сигналы. АКИП-4133 использует маски трех типов – стандартные, автоматические и произвольные.

Форма стандартных масок зависит от типа стандарта и его тактовой частоты. Осциллограф позволят анализировать маски следующих международных стандартов - SONET/SDH, Ethernet, RapidIO, G.984.2, Fibre Channel, ITU G.703, PCI Express, ANSI T1.102, InfiniBand., Serial ATA, XAUI. Форма стандартных масок – это, как правило, четырех- или шестиугольник. Имеются возможности редактирования стандартных масок (рис. 45).

 

В осциллографе АКИП-4133 используются 161 тип стандартных масок. На рис. 46 показан пример теста по 5 Гбит/c маске стандарта PCI Express.

Принцип теста заключается в определении попадания осциллограммы сигнала на маску, что является нарушением границ маски. Такое попадание обнаруживает выход параметров за заданные пределы. Это фиксируется изменением цвета сигнала на красный, что говорит об ошибке в его форме.

Статистические результаты теста включают информацию об ошибках, зарегистрированных внутри стандартных шаблонов, внутри дополнительных границ шаблонов, а также полную информацию об ошибках (рис. 47)

Автоматическая маска строится по форме исследуемого сигнала путем добавления к нему некоторых заданных значений допусков по вертикали и по горизонтали.

На рис. 48 слева приведена автоматическая маска, построенная для импульса длительностью 90 пс. Маска состоит из двух шаблонов, плавно повторяющих форму сигнала с его обеих сторон.

На рис. 48 справа показан тест этого же сигнала, находящегося в условиях воздействия помех. Красным цветом маркируются точки сигнала, выходящие за пределы допусков. В приведенном примере обеспечивается точность допускового контроля ±12,5 пс.

Произвольная маска может быть создана непосредственно пользователем. При этом количество шаблонов может доходить до восьми, а их форму можно произвольно редактировать. На рис. 49 показан пример теста 50 Мбит глаз-диаграммы по произвольно-построенной маске.

О компании Eltesta

Осциллографы АКИП-4133 были разработаны Вильнюсским предприятием Eltesta. Предприятие было создано в 1993 году на базе осциллографического отдела Вильнюсского НИИ радиоизмерительных приборов – головного разработчика в СССР по осциллографии. В настоящее время Eltesta разрабатывает и производит цифровые и стробоскопические осциллографы в полосе частот до 25 ГГц, а также пикосекундные генераторы импульсов с длительностью фронта менее 35 пс.

Автор:  Яков Россоский. ЗАО Eltesta
Дата публикации:  29.10.2019
Модели:  АКИП-4133 | АКИП-4133/1 | АКИП-4132/9 | АКИП-76404D | АКИП-3308/3