Osciloskopy StationMax. Třída, která mluví za vše

Když vybavujeme vývojovou laboratoř, pokládáme si většinou klasickou otázku, zda pro potřeby běžného vývojového projektu zakoupit a používat spektrální analyzátor či osciloskop. Analýza v časové oblasti je na jednu stranu pro většinu úloh nepostradatelná. Požadovaný kmitočet a šířka pásma však budou obvykle tak vysoké, že jim obyčejné osciloskopy samy o sobě nevyhoví. Na druhou stranu složky signálu a chování některých součástek lze skutečně vizualizovat jen v kmitočtové oblasti. Nevýhodou je, že základní analýzu v časové oblasti bude možné provádět ve velmi omezeném rozsahu. Spousta vývojářů proto řeší dilema, zda pořídit obě zařízení, která poté vyžadují více místa a znamenají též i vyšší náklady. Ale nejen to. Mnohem složitější zde totiž bude právě synchronizace výsledků měření z obou zařízení, která je často naprosto nezbytná k tomu, abychom v určitém časovém okamžiku obdrželi výsledky v obou doménách – časové i frekvenční.

Nové špičkové osciloskopy řady DS70000 od firmy RIGOL nabízí ideální řešení pro různé aplikace, především pak v oblasti výzkumu a vývoje. Jedná se o první zařízení série StationMax a k dispozici budou ve dvou verzích se čtyřmi analogovými kanály a šířkami pásma do 3 GHz, resp. až do 5 GHz. Posledně zmiňovaného výsledku lze přitom dosáhnout maximálně se dvěma kanály, ovšem při použití všech čtyřech vstupů zde stále máme šířku pásma 4 GHz se vzorkovací rychlostí max. 10 GS/s a pamětí o velikosti jedné miliardy bodů na kanál. Zařízení staví na rozšířeném čipsetu ASIC vyvinutém firmou RIGOL, který dosahuje vzorkovací rychlosti v reálném čase až 20 GS/s. V případě signálů je také možné zaznamenat až dva milióny snímků a poté je přehrávat za účelem rozsáhlejší analýzy.

Čipset ASIC se skládá ze dvou dílčích čipů. Beta-Phoenic je u kanálu osazen jako analogový front – end a kombinuje zde různé funkce, pokud jde o šířku pásma s vysokou stabilitou, lineární zesílení a také realizaci vstupních impedancí 1 MΩ (až do 500 MHz), resp. 50 Ω. Čip kromě toho obsahuje velmi rychlou přepěťovou ochranu reagující v řádu mikrosekund. Druhý ASIC má své místo u analogově-číslicového převodníku ADC a obsahuje digitální signálový procesor DSP. Hardware a také software DS70000 byl navržen tak, aby se dal v budoucnu obohatit o další funkce. S rozšířením pak rovněž počítá vnitřní paměť s procesory. Obrazovka je tvořena dotykovým displejem s úhlopříčkou 15,6 palce a také sekundárním displejem o velikosti 3,5 palce určeným pro obsluhu. Výrobce navíc umožňuje změnit žádanou polohu panelu díky automatické regulaci náklonu. Hlavní displej lze rozdělit na několik oken. Výsledky jednotlivých měření se pak zobrazují stranou, takže není stěžejní část displeje ničím „zahlcena“.

Nová platforma UltraVision III nabízí obrovskou paměť s kapacitou až dvě miliardy bodů. Díky vzorkovací rychlosti 20 GS/s tak lze např. časový úsek v délce 100 ms „rozložit“ s funkcí zoomu na velmi malé části. Dokonce i ty nejmenší složky signálu je možné vyjádřit v čase s vysokou mírou přesnosti, a to až do kmitočtu 5 GHz. Jedná se např. o zkoumání poruch nebo dalších nežádoucích vlivů (viz obr. 1). Stranou zájmu však nezůstává ani měření jinak ojedinělých problémů, protože osciloskop umožňuje při spouštění pracovat s vysokou rychlostí 1 miliónu průběhů za vteřinu. Ke změnám sporadicky se vyskytujícího signálu se lze dostat díky volbám široce využitelného integrovaného spouštění. Zařízení je také možné využít jako ftp server, kdy si mezi počítačem a testovacím zařízením rychle vyměňujeme velké datové soubory. S rozšířenými funkcemi webového řízení pak lze přístroj ovládat z počítače, aniž na PC instalujeme jakýkoli software.

Obr. 1  Vysoké rozlišení na časové ose pro delší měření s využitím paměti o velikosti 2 Gpts a rychlostí 20 GS/s

Osciloskopy také nabízí dva typy rychlé transformace FFT pro efektivní analýzu ve spektru. Jedna varianta spočívá v konverzi časového signálu až s 65 535 vzorky. Druhá, a rozšířená, pak využije výrazně rychlejšího výpočtu FFT až s 10 000 FFT/s. Spektrální analýzu v reálném čase lze provádět na této rychlosti. Zařízení tak představuje optimální řešení pro složité měřicí úlohy v časové, stejně jako kmitočtové oblasti. V případě spektrální analýzy s rozmítáním proto např. nemáme žádná „slepá“ místa a změřeno, resp. zobrazeno, může být i více informací o signálu. To znamená, že rozšířené testy (leakage) lze provádět s nebo také bez možnosti „doznívání“ a pro nastavenou šířku pásma je k dispozici kompletní informace o signálu (viz obr. 2). Každý signál zde může být ve stejném čase analyzován jak z hlediska časového, tak i frekvenčního.

Obr. 2  Kmitočtová analýza s režimem „real – time“ u osciloskopů řady DS70000

Pro analýzu číslicového signálu lze volitelně použít velmi rozsáhlou funkci s diagramem oka v reálném čase. Bitový tok je zde synchronizovaným způsobem „vrstvený“ s několika tisíci snímky, takže výsledné zobrazení připomíná právě zmiňované oko. V závislosti na tom, jak se takové oko horizontálně a/nebo vertikálně uzavírá, dostáváme též důležité kritérium kvality pro datové přenosy (viz obr. 3).

Obr. 3  Měření diagramu oka v reálném čase pro datový signál s přístroji DS70000

Diagram oka v reálném čase upotřebíme nejen při vizualizaci kompletního datového přenosu, ale zjistíme zde také různé testovací parametry. Díky činiteli Q se např. stane viditelným vliv rušení a nežádoucího jitteru. Jindy zase vyniknou sporadicky se vyskytující jevy. S takovým znázorněním si rovněž učiníme obrázek o šířce pásma, protože bude v diagramu oka souviset s dobou náběhu. Stranou zájmu však nezůstane ani šířka pásma připojené měřicí sondy a její hlavy. Je proto vhodné použít sondu s odpovídající, velkou šířkou pásma, např. novinku od firmy RIGOL řady PVA8000. Systém DS70000 nabízí též různé druhy synchronizace, které lze kupříkladu využít, ať už máme datový tok synchronizován se smyčkou fázového závěsu, či hodinami.

Podrobné tabulky pro analýzu jitteru signalizují, jak velký vliv bude jitter mít na jím „stižené“ taktování. Jednou může podstata šumu zapříčinit asymetrický nebo nahodilý jitter. Jindy zase dokáže definované rušení generovat symetrický či deterministický jitter. Jakmile takovou symetrii a interferenční signál známe, lze jejich vliv na datový signál eliminovat. Analýza jitteru se zobrazením trendu a použití histogramu, stejně jako zobrazení jitteru v kmitočtové oblasti zde budou vhodnými nástroji pro rychlé zařazení a také omezení účinku jitteru. Pokud například pozorujeme „pilovitý trend“, je zřejmé, že se jitter mění jako periodický pulz a koresponduje se symetrickou povahou. Pokud se k tomu přidá distribuce histogramu, můžeme sledovat i další detaily signálu. Když tedy rušivý signál známe, můžeme jej nyní vyřadit z činnosti, příp. před ním budeme hodinové signály, pokud jde o samotný návrh, ještě lépe chránit. Informaci ohledně typu jitteru nám v této věci zprostředkuje podrobné znázornění výsledků.

Popsanou analýzu jitteru lze provádět souběžně s měřením diagramu oka v reálném čase. Současné zobrazení obou aplikací ve stejnou dobu pak umožňuje datový signál plně analyzovat, a to velmi rychle a také pohodlně.

Osciloskopy DS70000 rovněž nabízí řadu možností pro spouštění a dekódování u sběrnicových systémů, jako jsou FlexRay, CAN-FD, LIN či I²C a mnoho dalších. S řadou DS70000 lze současně dekódovat až čtyři sběrnice, dokonce i rozdílové. Výsledky je možné zachytit formou tabulky událostí, příp. je uložit jako soubor *.csv . V závislosti na nastavení paměti dokáže zařízení zaznamenat až dva milióny časových snímků a přehrávat je tak často, jak jen to bude zapotřebí.

Osciloskop má k dispozici také volbu pro předběžná měření shody u fyzické vrstvy, např. pro rozhraní USB 2.0 HS nebo ethernet (100), pokud jde o standard IEEE 802.3-2018. Provádět je možné různé testy a měření spojené se špičkovou hodnotou nebo přesností amplitudy u souhlasného napětí, chováním jitteru a také vlivem útlumu.

U osciloskopů řady DS70000 je možné navýšit jejich vertikální rozlišení, což patří mezi hodnotné nástroje zejména pro analýzu elektronických obvodů napájení, kdy potřebujeme na proudových a také napěťových průbězích sledovat i ty nejmenší změny. Vertikální rozlišení pak v závislosti na šířce pásma a také vzorkovací rychlosti poroste až na šestnáct bitů. Zmíněné výsledky jsou také možné díky skutečnosti, že signál půjde zobrazit na panelu s vysokým rozlišením 1920 × 1080 obrazových bodů (viz obr. 4). Vzhledem k tomu, že důležitá nebude pouze samotná reprezentace změřených hodnot, ale také související přenos dat, zapracovala společnosti RIGOL u této varianty zařízení rovněž různá komunikační rozhraní. Díky rozhraní LAN lze např. systém ovládat z webového prohlížeče. Osciloskop kromě toho nabízí rozhraní USB 3.0, včetně optického 10GB SFP+ umožňující velmi rychle přenášet data ze zařízení do počítače. Pro účely další prezentace výsledků bylo rovněž integrováno HDMI, takže lze připojit ještě větší displej.

Obr. 4  K šestnáctibitovému vertikálnímu rozlišení s osciloskopy firmy RIGOL řady DS70000

S představením osciloskopů řady DS70000 firma RIGOL dále rozšiřuje i svou nabídku příslušenství o aktivní rozdílové sondy řady PVA8000. Hlava sondy zde obsahuje front – end ASIC vyvinutý stejnou firmou a nazvaný Y-Phoenics (gama-Phoenics). Pochlubit se může nízkošumovými charakteristikami, stejně jako vysoce lineárním zesílením signálu. Vyrovnání lineárního zesílení amplitudy napříč kmitočtovým rozsahem bylo kromě toho zapracováno přímo na čipu.

Díky nové řadě osciloskopů DS70000 a také s příslušnými sondami řady PVA8000 se může společnost RIGOL pochlubit novou dimenzí pro měřicí technologie, které zde spojují flexibilitu a mnohostrannou využitelnost s výkonem nové platformy UltraVision III. S touto novou technologií měření firma RIGOL rovněž zdůrazňuje mimořádný poměr cena/výkon, spojený s tradičně vysokou kvalitou produktů tohoto výrobce. Díky jejich univerzálnosti je možné osciloskopy využívat v celé řadě průmyslových aplikací, ale také v oblasti výzkumu a vývoje, stejně jako při odborné přípravě studentů.