Osciloskopy Rohde & Schwarz: nejrychlejší přístroje do 2GHz

Osciloskopy se dnes používají téměř ve všech oblastech elektroniky a to jak při vývoji obvodů tak například i ve výrobě. Pro uživatele osciloskopů je nejdůležitějším kritériem, jak rychle mohou osciloskopem odhalit chyby a jak přesně je zobrazen průběh signálu. Společnost Rohde & Schwarz proto zaměřila novou modelovou řadu svých osciloskopů R&S RTO právě na rychlost a na věrnost zobrazení signálu. Poprvé je teď možné vyhodnotit a zobrazit jeden milion průběhů za sekundu. Jsou tak viditelné i zřídka se vyskytující chyby. Navíc čistě digitální systém spouštění, který je poprvé použit v těchto přístrojích, vede k velmi malé nežádoucí odchylce (jitter) spouštění. Nejnižší vlastní šum mezi přístroji v dané kategorii přispívá k tomu, že osciloskopy zobrazují velmi přesně i slabé signály. Osciloskopy nové modelové řady jsou k dispozici jako dvoukanálové nebo čtyřkanálové s šířkami pásma 1 nebo 2 GHz a s rychlostí vzorkování 10 Gvzorků/s. Jednoúčelové integrované obvody ASIC, velká paměť pro sběr dat s kapacitou dvacet milionů vzorků pro jeden kanál už ve standardní konfiguraci a přesný, ve společnosti Rohde & Schwarz vyvinutý jednojádrový analogově-digitální převodník, jsou určeny k dosažení dosud nevídané rychlosti zpracování dat. Kromě toho společnost Rohde & Schwarz vyvinula aktivní sondu, která je vybavena tlačítkem umožňujícím uživateli poprvé na světě ovládat funkce osciloskopu přímo sondou.

Obr. 1 Osciloskop RTO

Chyby signálu jsou ihned zobrazeny

Digitální osciloskopy měří signály ve dvou krocích. Nejprve po definovanou dobu vzorkují signál a ukládají získaná data. Potom z nich generují průběh a zobrazují jej. V průběhu zpracování signálu jsou digitální osciloskopy „slepé“ k měřenému signálu. Chyby, které v této době vzniknou v testovacím bodě, zůstanou nezjištěny. Vliv této neaktivní (slepé) doby je nejzávažnější při nejvyšších vzorkovacích kmitočtech.

Měří-li se s vzorkovacím kmitočtem 10 Gvzorků/s a s délkou záznamu 1000 vzorků, konvenční osciloskopy „nevidí“ signál po 99,5 % periody sběru a zpracování dat. Signál bude měřen pouze v průběhu 0,5 % doby měření. Osciloskopy Rohde & Schwarz mají dobu aktivního záznamu dat dvacetkrát delší. To umožňují jednoúčelové obvody ASIC (application-specific integrated circuit) vysoké hustoty integrace, které jsou v nich použity. Použití více cest paralelního zpracování dat značně zkracuje „neaktivní dobu“. Výsledkem je rychlost zobrazování až jednoho milionu průběhů za sekundu. Současně s tím zůstávají dostupná veškerá nastavení přístroje a funkce pro analýzu měření. Hledání chyb s využitím digitálního osciloskopu často začíná v režimu Persistence (Dosvit), ve kterém se superponuje několik průběhů tak, že vyniknou sporadické odchylky.

Obr. 2 Grafické uživatelské rozhraní osciloskopu RTO

Mnoho jiných přístrojů k tomu využí-vá speciální režim záznamu, ve kterém se zkracuje neaktivní doba a současně s tím se omezuje i doba zpracování signálu a možnosti jeho analýzy. Kompromisy tohoto typu se u osciloskopů R&S RTO nepoužívají. Ty naopak vzorkují a zpracovávají data vysokou rychlostí, navíc při tom zachovávají plnou ovladatelnost. Uživatelé mají vždy přístup k uloženým průběhům. Bez ohledu na to, z které funkce bylo měření zastaveno, jsou naměřené hodnoty uložené v paměti okamžitě k dispozici pro další analýzu.

Digitální systém spouštění s minimální nežádoucí odchylkou

Analogové systémy využívají pro spouštěcí signál cestu, která je souběžná s cestou sběru dat signálu. Odlišné charakteristiky obou cest způsobují, že v bodě spuštění nastává posuv času i amplitudy. Tím vznikají nepřesnosti měření (nežádoucí odchylka), které lze při následném zpracování odstranit jen částečně. První čistě digitální architektura spouštěcích obvodů používá pro měřené hodnoty a pro spouštěcí data společnou cestu signálu, a tedy i shodnou časovou základnu. Výsledkem je velmi malá odchylka spouštění v reálném čase a přesné přiřazení signálu k bodu spuštění. Kromě nežádoucí odchylky se u analogových systémů spouštění objevují také problémy s dlouhou dobou „reaktivace“. V průběhu této doby systém nereaguje na další spouštěcí události. To znamená, že některé charakteristiky signálu, které by jinak bylo možné využít ke spouštění, jsou přeskočeny. Digitální systémy spouštění naproti tomu nemají žádné reaktivační mechanismy. Každý vzorek lze využít jako platnou spouštěcí událost, nevznikají tak žádné ztráty událostí. Digitální systémy spouštění mohou ověřovat splnění podmínek spuštění v každém bodě vzorkování. Proto mohou být osciloskopy R&S RTO spouštěny i signály velmi malých amplitud. Hysterezi spouštění lze libovolně nastavit a dosáhnout stabilního spouštění nezávisle na šumu signálu. Osciloskopy R&S RTO umožňují používat jako zdroje spouštění i signály vytvořené matematickými operacemi se vstupními signály např. jejich součtem, rozdílem nebo inverzí. Je tedy možné např. pro spouštění použít rozdílový signál získaný ze dvou měřicích sond.

Vynikající věrnost signálu

Přesnost zobrazení měřeného signálu silně závisí na šířce pásma vstupního dílu a na jeho vlastním šumu. Proto společnost Rohde & Schwarz vyvinula širokopásmové vstupní obvody s konektory BNC, vstupní díly s velmi nízkým šumem a přesné analogově-digitální převodníky (ADC). Výsledkem je nejnižší vlastní šum v této třídě přístrojů. Přesnost digitalizace signálu závisí na efektivním počtu bitů (ENOB) analogově-digitálního převodníku. Přísné požadavky na přesnost jsou kladeny zejména u signálů malých amplitud pro digitální rozhraní a pro analýzu signálu v kmitočtové doméně. V typickém případě jsou ADC v digitálních osciloskopech tvořeny několika překrývajícími se, časově zpožděnými pomalými převodníky. Čím více je takových překrývajících se komponent, tím větší jsou chyby způsobené nestejnorodým chováním jednotlivých převodníků.

Proto společnost Rohde & Schwarz vyvinula monolitický osmibitový ADC se vzorkovacím kmitočtem 10 Gvzorků/s. Jednojádrová architektura tohoto modulu minimalizuje zkreslení signálu a s více než sedmi efektivními bity dosahuje vynikající dynamiky měření a podstatného zvýšení jeho přesnosti. Osciloskopy R&S RTO jsou velmi přesné dokonce i při malém vertikálním rozlišení (až do 1 mV/dílek), protože jejich citlivosti se nedosahuje softwarovým zvětšováním zobrazení signálu, nýbrž přepínanými zesilovači ve vstupním dílu. Pro přesná měření je ve všech rozsazích citlivosti až do 1 mV/dílek k dispozici plná šířka pásma měření. Kompenzace zesilovačů a atenuátorů ve vstupním dílu je velmi přesná a propracovaný systém teplotní stabilizace zaručuje vynikající tepelnou stabilitu celého přístroje. Tyto nové osciloskopy mají velmi vysoké oddělení kanálů, a to více než 60 dB až do kmitočtu 2 GHz. To zaručuje, že měřený signál z jednoho kanálu bude mít nejmenší možný vliv na signály v ostatních kanálech.

Obr. 3 Porovnání slepé doby běžných osciloskopů s přístrojem RTO

Hardwarová akcelerace zpracování signálů

Signály se zpracovávají v obvodech ASIC s vysokou hustotou integrace. Tyto obvody také obsahují hardwarovou podporu pro funkce měření a analýzy např. pro zobrazení spektra, matematické operace, měření s využitím kurzoru, histogramy nebo testování překročení tolerančních mezí. Vysoký stupeň paralelního zpracování v obvodech ASIC zaručuje vysokou rychlost sběru dat i při složité analýze signálů. Pro analýzu signálu a odstraňování potíží jsou důležitými nástroji různé metody k omezení počtu vzorků např. Sample, Peak Detect, High Res nebo RMS a také aritmetické operace s průběhy např. funkce Envelope nebo Average. Osciloskopy R&S RTO jsou první přístroje, které mohou současně různými způsoby zobrazovat až tři průběhy pro každý měřicí kanál. Různé typy zpracování dat lze kombinovat s aritmetickými operacemi s průběhy. Proto je např. možné přímo srovnávat originální vzorky s průměrovaným průběhem nebo křivkou obálky.

Pro zobrazování spektra signálů byly využity dlouholeté zkušenosti společnosti Rohde & Schwarz s vývojem spektrálních analyzátorů. Rychlá Fourierova transformace (FFT) je mnohem rychlejší než u jiných osciloskopů dostupných na trhu. Vysoká rychlost sběru dat vytváří na obrazovce dojem okamžitého zobrazení reálného spektra. V kombinaci s režimem Persistence (Dosvit) lze ve spektru dokonce zjistit i jen velmi vzácně se vyskytující události. Nízký vlastní šum a vysoký počet efektivních bitů převodníku jsou zárukou velkého dynamického rozsahu osciloskopů. Ovládání přístrojů vychází ze zadávání středového kmitočtu, rozpětí a rozlišovací šířky pásma. Nové osciloskopy umožňují i taková měření, která se obvykle vykonávají spektrálními analyzátory např. měření celkového harmonického zkreslení (THD) nebo spektrální hustoty výkonu (PSD).

Promyšlená koncepce ovládání pro rychlé získání výsledků

Promyšlené uživatelské rozhraní s praktickým ovládáním na dotykové obrazovce zjednodušuje pracovní postupy. Uživatel má dobrý přehled o tom, co právě probíhá, dokonce i při složitých měřeních. Uživatelsky orientovaná koncepce obrazovky s poloprůhlednými dialogovými okny, ikonami signálu pro náhledy průběhů v reálném čase a konfigurovatelný panel nástrojů přispívají k rychlému provádění i složitých měřicích a testovacích úkolů.

Srozumitelné nabídky v dolní části obrazovky umožňují přejít k libovolnému nastavení ne více než dvěma kliknutími. Přehledné struktury nabídek a křížové odkazy mezi logicky spojenými nastaveními zjednodušují orientaci v nabídkách.

Blokové diagramy v dialogových oknech vizualizují postup zpracování signálu. Panel nástrojů na horním okraji obrazovky nabízí rychlý přístup k často používaným funkcím jako jsou Zoom (Lupa), Undo/Redo (Zpět/Znovu), Histogram nebo FFT.

Ovládání měření s využitím sondy

Součástí nabídky osciloskopů jsou i aktivní a pasivní sondy. Pasivní sondy jsou součástí standardní dodávky přístroje a jsou vhodné pro všeobecná měření na signálech nízkých kmitočtů. Aktivní sondy jsou nutné v případech, kdy připojení sondy nesmí příliš zatížit měřený obvod nebo když signál obsahuje vysokofrekvenční složky, které nesmí být zkresleny. Rozhodujícími parametry měřicích sond jsou kromě šířky pásma i vstupní impedance a dynamický rozsah. Aktivní sondy Rohde & Schwarz mají vstupní odpor 1 MΩ a proto představují jen minimální zátěž pro zdroj signálu. Vertikální dynamický rozsah je velký i na vysokých kmitočtech a brání zkreslení signálu. Měření se nemusí přerušovat z důvodu kompenzace, protože posuv úrovně a zisk sond jsou téměř úplně nezávislé na teplotě. Aktivní sondy poskytují kromě kvalitních charakteristik i dvě následující inovace: Mikrotlačítko na sondě, kterému lze přiřadit různé funkce, např. Run/Stop (Zahájení/Zastavení měření) nebo Auto-set (Automatické nastavení), a umožnit tak uživateli ovládat osciloskop přímo ze sondy.

Obr. 4 Sonda s mikrotlačítkem

Více informací naleznete na stránkách výrobce www.scope-of-the-art.com nebo u společnosti ROHDE & SCHWARZ – Praha, s. r. o.