Synchronizace kanálů vzájemně propojených osciloskopů

Úvod Moderní osciloskopy nám sice nabízejí velkou šířku pásma, ale obvykle jsou dostupné s maximálně čtyřmi vstupními kanály a maximálně jedním či dvěma kanály s podporou zpracování velké šířky pásma. Samozřejmě je to logickým kompromisem návrhu přístroje mezi šířkou pásma a počtem kanálů. Dnes se však čím dál tím častěji můžeme setkat s aplikacemi, které vyžadují právě současné měření velké šířky pásma souběžně na více kanálech, které u běžného osciloskopu nejsou dostupné. Mezi takové aplikace patří především:

• „Paralelní“ sériový přenos dat s velmi vysokou přenosovou rychlostí, jako jsou například datová rozhraní PCI Express a 40/100 GbE. Tyto systémy, aby se dosáhlo ještě vyšší datové propustnosti, využívají 4 až 16 sériových datových linek. Při vývoji pak může nastat situace, kdy je potřeba měřit například přeslechy mezi jednotlivými kanály nebo strmost hran, což představuje požadavek až na 20 vstupních kanálů s šířkou pásma do 20 GHz.
• Modulace DP-QPSK nebo 16-QAM koherentní optické analýzy na velmi vysokých přenosových rychlostech. Zde je v reálném čase nutné zajistit převod čtyř analogových linek na digitální hodnotu a to při velmi vysoké šířce pásma, mezi 30 až 45 GHz (případně i více).
• Analýza vysokorychlostního serializačního/deserializačního členu (SERDES) s rychlostí 25 Gb/s a více. V tomto případě je nutné použít dva diferenciální kanály s vysokou šířkou pásma, například 45 GHz.

Aby bylo možné výše uvedené požadavky splnit, vyvinuli výrobci osciloskopů metody, které umožňují propojení více konvenční osciloskopů do jednoho celku. Každý osciloskop má svou vlastní akvizici časové základny z externího zdroje signálu 10 MHz s jedním konvenčním osciloskopem ve funkci referenční časové základny pro ostatní. Uvedená metoda má však velkou nevýhodu ve zvýšení celkové chyby časových intervalů a v podpoře vzniku jitteru u jednotlivých vstupních kanálů. Navíc i samotné propojení více konvenčních osciloskopů dohromady je obtížné a časově náročné. Mnohem lepší výsledky nabízí speciální modulární osciloskopické systémy s jednou distribuovanou časovou základnou a jedním spouštěcím obvodem. Výhodou je jednoduché nastavení, ovládání a především přesnost synchronizace časové základny až 20 kanálů.

Konvenční architektura osciloskopů

Zjednodušená bloková struktura jednoho kanálu digitálního osciloskopu je zná- zorněna na obr. 1. Je zde 10GHz časová základna, vzorkovací obvod s analogově-digitálním převodníkem (ADC) a obvod triggeru. Analogový signál, který je přiveden na obvod sampleru, je převeden do digitální podoby a uložen do paměti. Pokud je zároveň na signálu detekována platná spouštěcí podmínka, předá obvod triggeru pokyn paměťovému čipu, který data přestane přepisovat a začne je přenášet do obvodů zpracování, aby mohly být zobrazeny na displeji. Jakmile je přenos dat dokončen, obvod triggeru opět zajistí přesměrování dat do paměti a připraví se na další platný spouštěcí stav.

Obr. 1 Architektura vstupního kanálu digitálního osciloskopu

Architektura časové základny, jejíž blokové schéma je na obr. 2, se skládá z modulu distribuce hodinového signálu a oscilátoru s frekvencí 10 MHz. Pro dosažení požadované frekvence 10 GHz, která řídí vzorkovací obvody, je výstup tohoto oscilátoru veden přes frekvenční násobič PLL. Modul časové základny akceptuje přivedení i externího signálu 10 MHz, případně integrovaný oscilátor může svůj signál poskytnout jiným externím zařízením. Tedy například dalším osciloskopům v dané sestavě. Samozřejmě se jedná pouze o zjednodušené blokové schéma. Ve skutečnosti obsahuje časová základna ještě řadu dalších obvodů, které mají například za cíl udržet signál co nejstabilnější.

Obr. 2 Architektura časové základny osciloskopu

Účelem časové základny, která se nachází v každém osciloskopu, je samozřejmě produkce přesně definovaných časových intervalů. Samplovací obvod, potažmo ADC převodník, zahajuje převod analogové hodnoty na digitální například na 50 % úrovně náběžné hrany signálu z časové základny. V tomto okamžiku se samplovací obvod postará o zachycení datového bodu a ADC provede její převod na binární hodnotu. V ideálním případě je samozřejmě časový interval mezi každým tímto bodem naprosto stejný, ovšem v praxi je signál ovlivněn celou řadou dalších prvků, které mohou vést až k mírné odchylce časových intervalů mezi vzorky. Tomuto stavu se obecně říká chyba časového intervalu (Time Interval Error – TIE), či fázový jitter a jejich nenulová hodnota tvoří krátkodobou časovou nestabilitu.

Spojení dvou (nebo více) konvenčních osciloskopů: Fázové chyby časové základny

Každý tradiční osciloskop obsahuje svou vlastní (nezávislou) časovou základnu. Proto se při propojení více konvenčních osciloskopů dohromady vyžaduje její fázová synchronizace. Obvykle se toho dosahuje použitím výstupu 10MHz časové základny jednoho z konvenčních osciloskopů, která pro ostatní osciloskopy poslouží jako referenční. Na obr. 3 je uveden příklad takového propojení dvou osciloskopů s pomocí časové základny jednoho z nich. Bohužel se nejedná o dokonalou metodu, neboť podobné uspořádání téměř vždy vede k nežádoucímu zvýšení hodnoty TIE.

Obr. 3 Princip propojení dvou konvenčních osciloskopů

Hlavním problémem je, že 10MHz signál, který je použit k synchronizaci časové základny několika osciloskopů, se obvykle vyznačuje nízkou strmostí hran. Celý systém proto bývá velmi náchylný ke vzniku nejednotnosti synchronizace. Na obr. 4 je vidět, že amplituda šumu na signálu může vytvořit tzv. vertikální nejistotu, která se postupem času projeví jako odchylka při vzorkování a navíc vede ke snížení rychlosti přeběhu. Obecně platí, že doba tzv. časové nejistoty je vyjádřena jako funkce svislých nejistot dt=dv*SR, kde SR je vzorkovací frekvence.

Obr. 4 Vznik časové odchylky vzorkování

Druhým problémem je i samotné vedení hodinového signálu 10 MHz poměrně dlouhým přívodem k dalším osciloskopům, který také představuje velký potenciál pro vznik rušení a zvýšení hodnoty TIE. Výsledkem je nepříznivé ovlivnění samplovacího obvodu osciloskopu a pořízení vzorků vstupního signálu v nejednotných časových intervalech, což se v průběhu záznamu projevuje změnou fáze vstupního signálu.

A konečně i samotné násobení frekvence 10 MHz až na hodnotu 10 GHz (tedy 1000×) za použití obvodu PLL může rovněž negativně ovlivnit hodnotu TIE. I když v případě velice kvalitních PLL je ovlivnění skutečně minimální, nikdy nebude nulové. Navíc v případě propojení většího množství osciloskopů do jediného systému, roste TIE i vlivem většího množství PLL násobičů a to dokonce kvadraticky. V některých aplikacích je sice nárůst TIE vlivem obvodů PLL zcela zanedbatelný, ovšem nikoliv v systémech, kde je přesnost měření na prvním místě.

Spojení dvou (nebo více) konvenčních osciloskopů: jitter triggeru

Systém triggeru (spouštění) musí být v každém běžném osciloskopu nastavený tak, aby reagoval okamžitě při detekci platné spouštěcí podmínky. Pomocí příslušného vstupu/výstupu každého osciloskopu můžeme měřicí systém konfigurovat tak, aby jeden osciloskop spustil měření v dalším. Příslušný software nebo hardware je obecně schopen zajistit spuštění osciloskopů přesně ve stejnou dobu. To je důležité, ovšem jednotlivé přívodní kabely mají obvykle různou délku a v tomto případě mohou mít i malé délkové rozdíly významný dopad na zpožděné šíření signálu.

Tak například klasický koaxiální kabel typu RG-58C dokáže na délce pouhých 2,5 mm (0,1 palce) vytvořit rozdíl zpoždění typ. 8 ps.

Dalším problémem je, že šířka pásma pomocného vstupu je obvykle mnohem nižší než u základních vstupních kanálů. Jelikož se jedná o pasivní signál, bývá na daném vstupu vždy zařazený i jednoduchý low-pass filtr, který snižuje rychlost hran. Jak již bylo řečeno výše, všechny tyto vlastnosti vedou ke zvýšení počtu rušení na daném signálu a zvýšení hodnoty TIE.

A konečně i samotná integrace dvou triggerů běžných osciloskopů představuje problémy: opět se zde můžeme setkat s fázovým jitterem či kolísáním vstupního signálu kolem aktivační hodnoty. Všechny uvedené chyby se v případě sestavy několika osciloskopů sčítají. Vzhledem k tomu, že šum ze signálu a osciloskopu postihuje rovněž integrovaný spouštěcí obvod, existuje v každém případě přesného spouštění určitý čas nejistoty. Jelikož má každý osciloskop připojený v systému svůj vlastní nezávislý spouštěcí obvod, kolísá celková úroveň nejistoty každého osciloskopu kvadratickou mírou.

Připojení dvou konvenčních osciloskopů: Statické zkreslení mezi kanály osciloskopu

Každý kanál má většinou v tradiční koncepci osciloskopů nějakou (nenulovou) hodnotu statické výchylky vůči ostatním kanálům daného osciloskopu. Tento problém lze snadno opravit pomocí korekce sklonu hran (která se obvykle nachází v menu nastavení daného kanálu). Nicméně ve chvíli, kdy jsou dva běžné osciloskopy propojeny do společného systému, může být již statická výchylka mezi jednotlivými oddělenými systémy osciloskopu poměrně velká, takže může být obtížné určit úroveň vyrovnání sklonu tak, aby se správně sladily všechny aktivní kanály.

Připojení dvou konvenčních osciloskopů: Celková chyba sestavy

Pokusme se nyní zvážit dopad všech kombinovaných TIE (fázových) a šumových chyb v případě signálů s rychlostí 28 Gb/s na dva klasické osciloskopy, propojené uvedenou metodou referenčního signálu 10 MHz. Výše uvedené chyby TIE a jitter triggeru zapříčiní dynamické zhoršení kvality signálu nebo zkosení hran, které nelze korigovat pomocí procesu kalibrace. V případě signálu s rychlostí 28 Gb/s je délka jednotlivých bitů přibližně 36 ps. Pokud jsou běžné osciloskopy propojeny do systému sběru dat se společným časovým jitterem 1 psrms (nebo 6 pspk-pk pro tři standardní odchylky), jak je ostatně obvyklé, vychází úroveň přidané fázové nejistoty až na téměř 20 %. To je již poměrně vysoká hodnota, která může snadno způsobit velký zmatek v případě souběhu fází zachyceného signálu a to obzvláště v případě práce s fázově či frekvenčně modulovaným signálem, jako je například diferenciální fázová modulace DP-QPSK, kvadraturní amplitudové modulace (16-QAM) a ortogonální multiplex s kmitočtovým dělením (OFDM).

Je zřejmé, že spojením několika běžných osciloskopů do jediného systému získáme kromě jiného i poměrně velkou odchylku a jen těžko dosáhneme stejné úrovně měření jako v případě použití jediného konvenčního osciloskopu. Aplikací velmi pečlivé a hlavně opakované kalibrace můžeme tyto chyby do určité míry minimalizovat, ovšem nikdy je nedokážeme zcela odstranit. I přesto je nutné mít dobrou znalost problematiky a přípravě měření věnovat hodně času.

Výhody modulární synchronizace osciloskopů

Všechny uvedené dynamické problémy, způsobené propojením více klasických osciloskopů do jediného systému, mohou být s úspěchem řešeny například návrhem na pořízení modulárního měřicího systému. Například modulární osciloskopy LeCroy LabMaster 9 Zi-A využívají jedinečnou architekturu ChannelSyncTM, která se stará o naprosto přesnou synchronizaci měření, spouštění a zobrazení zvolených kanálů osciloskopu na jediném společném displeji.

Modulární osciloskopy využívají pro přesnou synchronizaci tzv. distribuovanou časovou základnu s frekvencí rovných 10 GHz (tedy 1000× rychlejší než standardních 10 MHz). Dokonce by se dalo říct, že se jedná o hlavní výhodu tohoto systému, neboť odstraněním standardní 10 MHz časové základny, známé z klasických osciloskopů, můžeme v případě samplovacího obvodu eliminovat skutečně velké množství chyb. Velký rozdíl je však i v případě samotného uspořádání, kde je generován pouze jediný 10GHz signál modulem Master a ten se dále distribuuje přímo na samplery a ADC převodníky jednotlivých modulů Slave. V případě frekvence hodin 10 GHz je navíc rychlost přeběhu hran hodinového signálu vysoká s prakticky neměřitelnou úrovní zvýšení hodnoty TIE v důsledku zvlnění amplitudy. A navíc i díky tomu, že moduly Slave žádnou časovou základnu neobsahují, neexistují zde žádné další PLL obvody, které by nám opět mohly TIE zhoršit.

Další výhodou modulárního osciloskopu je rovněž použití pouze jediného vstupu triggeru, který se nachází v modulu Master a podporuje plnou šířku pásma. Obvod pak prostřednictvím synchronizační sběrnice PCI Express x4 řídí přímo snímací obvody, ADC a paměti každého jednotlivého kanálu. Tím zcela odpadají problémy s násobnou synchronizací a v systému existuje pouze jediný spouštěcí obvod, který řídí všechny dostupné moduly. Navíc, pokud pracujeme s měřením jednorázových dějů, pak je jitter spouštěcího obvodu roven nule – oproti integraci dvou samostatných osciloskopů jde tedy o významné zlepšení.

A konečně, všechny osciloskopy obvykle mezi jednotlivými kanály obsahují určitou úroveň statického zkreslení – to platí jak pro konvenční, tak i modulární osciloskopy. Nicméně, modulární systémy používají funkci poloautomatické rutinní korekce statické výchylky, která bývá obvykle způsobena mírně odlišnou délkou mezi zařízením Master a Slave. Jednoduché a zároveň jednorázové kalibrace ChannelSync zajišťují korekci velmi malého, statického zkreslení modulů, způsobeného drobnými rozdíly v délce synchronizačních PCI Express x4 kabelů. Pokud chcete provést kompletní korekci sklonu k referenční rovině osciloskopu, stačí pak jednoduše kabelem propojit signál z modulu Master s každým použitým kanálem modulu Slave a spustit kalibrační utility ChannelSync. Jedná se o jednorázový proces, který obvykle netrvá déle než jednu minutu a kromě uvedeného propojení a opětovného rozpojení kabelu mezi moduly nevyžaduje od obsluhy žádnou další činnost.

Obr. 5 Architektura systému modulárních osciloskopů LabMaster

Architektura LeCroy ChannelSync v modulárním systému osciloskopů LabMaster poskytuje výrazně přesnější a jednodušší způsob pořízení většího množství kanálů s velmi vysokou šířkou pásma. Speciálně navržená modulární konstrukce eliminuje většinu chyb a problémů, známých z jednoduchého propojení více konvenčních osciloskopů dohromady.

Více informací o systému Modulárních osciloskopů LeCroy LabMaster lze nalézt na www.lecroy.com.