Klasyczne pytanie nasuwające się podczas wyposażania laboratorium badawczo-rozwojowego: Analizator widma czy oscyloskop? Oscyloskop, dzięki skupieniu się na dziedzinie czasu, jest często uważany za wystarczający, ponieważ analiza w dziedzinie czasu jest niezbędna przy wielu zadaniach rozwojowych. Jednak, częstotliwość zadana i szerokość pasma znajdują się zazwyczaj w, na tyle dużym zakresie, że konwencjonalny oscyloskop nie do końca stanie na wysokości zadania.
Analizatory widma mierzą bezpośrednio w zakresie częstotliwości. Dla inżyniera zaletą tego jest to, że składniki i zachowanie niektórych komponentów zostają w pierwszej kolejności wyraźnie ukazane właśnie w nim. Wadą analizatora jest mocno ograniczona możliwość analizy w dziedzinie czasu. Wiele laboratoriów decyduje się na rozwiązanie powyższego dylematu kupując zarówno oscyloskop, jak i analizator widma. Jednak, nie jest to idealnym rozwiązaniem… Niezbędna będzie większa przestrzeń na stole roboczym, dodatkowo, należy zsynchronizować wyniki pomiarów obydwu urządzeń, żeby można było z nimi odpowiednio pracować. W praktyce okazuję się to generować dodatkowe koszty bez efektywnego rozwiązania problemu.
Seria Oscyloskopów DS70000
Tutaj Rigol postanowił nie być obojętnym na odwieczną rozterkę inżynierów. Nowa seria oscyloskopów High-Performance DS70000 rozwiązuje dylemat pomiędzy domeną czasu a częstotliwości swoją wielofunkcynością. DS70000 jest pierwszym przyrządem z linii StationMax. Nazwa ta wywodzi się od ulepszanych rozwiązań hard- i software’owych, które były prowadzone pod nazwą StationMax i zostały zaimplementowane w najnowsze oscyloskopy. W ofercie znajdują się dwa modele 4-kanałowych urządzeń z pasmami o szerokościach do 3GHz lub do 5GHz. 5GHz-owa szerokość pasma jest możliwa do osiągnięcia w przypadku użycia maksymalnie dwóch kanałów analogowych. Przy użyciu wszystkich 4 kanałów oscyloskop posiada pasmo 4 GHz przy maks. częstotliwości próbkowania 10 GSa/s i głębokość pamięci na kanał o wielkości 1 Gpkt. Powyższa klasa urządzeń oparta jest na nowym, ulepszonym rozwiązaniu systemu Platformy UltraVision III. Oznacza to, że współpracuje z rozszerzoną wersją opracowanego przez Rigol Chipsetu ASIC „Phoenix”, dzięki czemu osiąga częstotliwość próbkowania w czasie rzeczywistym do 20 GSa/s. Oscyloskop może zarejestrować maksymalnie dwa miliony ramek i odtwarzać je dla w celu przeprowadzania zaawansowanych analiz.
Chipset-Phoenix
Zintegrowany Chipset-Phoenix składa się z dwóch pojedynczych chipów: Beta- Phoenix i Ankaa. Beta-Phoenix jest wbudowanym w każdy kanał analogowym frontendem i odpowiada m.in. za: wysoką i stabilną szerokość pasma, wzmocnienie liniowe oraz impedancję wejścia dla 1MΩ (przy 500 MHz) i 50 Ω. Dodatkowo, chip został zintegrowany z ochroną przed przepięciem, która reaguje w przeciągu mikrosekund. Drugi układ ASIC jest instalowany przed przetwornikiem Analogowo-Cyfrowym i zawiera w sobie cyfrowy procesor sygnałowy. Jego główną rolą jest przetworzenie sygnału w oscyloskopie i szybka digitalizacja różnych szlaków sygnałowych. Ponadto, stabilizuje on amplitudę sygnału, aby osiągnąć możliwie najwyższy stosunek sygnału do szumu.
Poszerzanie możliwości
Zarówno hardware, jak i software DS70000 zostały przystosowane do ewentualnych dalszych rozszerzeń funkcjonalnych. Dla funkcji pomiaru TDR – która z resztą zostanie później omówiona –niezbędne interfejsy, jak np.: interfejs o dużej szybkości SFP+, zostały już zintegrowane w urządzeniu. Wewnętrzną pamięć oraz procesory zaprojektowano tak, aby możliwe było zastosowanie dodatkowych funkcji dekodowania, które pozostają jeszcze w fazie rozwoju.
Obszar wyświetlania składa się z uchylnego 15,6 calowego dotykowego wyświetlacza oraz mniejszego 3,5 calowego ekranu służącego do szybkiego wyboru najczęściej używanych funkcji pomiarowych. Kąt nachylenia głównego wyświetlacza ustawiany jest za pomocą dotykowego przycisku – wbudowany silnik automatycznie ustawia ekran w wybranej pozycji. Wyświetlacz może zostać dodatkowo podzielony na mniejsze części, co umożliwia wykonywanie kilku pomiarów jednocześnie. Wyniki konkretnego pomiaru przedstawiane są na wyznaczonym do tego polu, tak aby nie zakłócać obrazu pozostałych pomiarów.
Nowa Platforma UltraVision III
Nowa platforma UltraVision III oferuje bardzo głęboką pamięć do dwóch gigapunktów. Oznacza to, że przy częstotliwości próbkowania równej 20 GSa/s, okres czasu 100 ms może być przeanalizowany dla bardzo małych wartości. Chociaż zakres czasowy dla tej szerokości pasma (5GHz) jest bardzo wysoki, możliwe jest przedstawienie nawet najmniejszych komponentów sygnału o wysokiej dokładności, aby uniknąć zakłóceń i innych niepożądanych efektów podczas pomiaru. (Zdjęcie 1.) Już przy sporadycznie występujących zakłóceniach sygnału, szybkość wyzwalania i akwizycji sygnałów odgrywają kluczową rolę. DS70000 wychwytuje do milionów przebiegów na sekundę (wfms/s). Umożliwia to znaczne skrócenie czasu pomiaru, aby umożliwić wychwycenie zakłóceń sygnału.
Zdj. 1.
Brak czasu martwego przy analizie widma
W celu wykrywania zmian sygnału w urządzeniu pomiarowym zintegrowane zostały różne warianty wyzwalania. Do analizy widma mogą zostać użyte dwa rodzaje szybkiej transformacji Fouriera (FFT). Jednym z wariantów jest przekształcenie sygnału czasu na maksymalnie milion próbek. Drugi, rozszerzony wariant stosuje znacznie szybsze obliczanie FFT do 10.000 FFT/s. Taka prędkość umożliwia bardzo skuteczną analizę widma w czasie rzeczywistym. Jak widać, urządzenie okazuje się optymalnym rozwiązaniem dla złożonych zadań pomiarowych, zarówno w domenie czasu, jak i częstotliwości. Pomiary w czasie rzeczywistym oferują wiele zalet w porównaniu do pomiarów typu przemiatającego. Jedną z nich jest, np.: niewystępowanie czasu martwego podczas analizy oraz możliwość pomiaru i prezentacji większej ilości informacji o sygnale. W związku z tym, z powodzeniem można prowadzić poszerzone testy. Dodatkowo, dostępne są kompletne informację nt. przedstawianego spektrum (Zdjęcie 2.), przez co sygnał może być przeanalizowany w dziedzinie czasu i częstotliwości. 15,6 calowy dotykowy ekran jest podzielny na części, żeby można było przeprowadzać kilka pomiarów jednocześnie i ułatwić wykrywanie wszelkiego rodzaju odstępstw od normy.
Zdj. 2.
Odczytywanie jakości sygnału z diagramu oka (Eye-diagram)
Dla celów analizy sygnałów cyfrowych, zaprojektowana została obszerna funkcja Eye-diagram czasu rzeczywistego. Umożliwia ona pomiar danych z wysoką częstotliwością. Strumień bitów jest zsynchronizowany z kilkoma tysiącami klatek nałożonymi na siebie, z czego powstaje wykres przypominający wyglądem oko. W zależności od tego, czy oko domyka się z tendencją poziomą i/lub pionową, jest to istotne kryterium jakości transmisji danych (Zdjęcie 3). Eye-diagram to nie tylko wizualizacja pełnej transmisji danych, ale także różnych parametrów testowanych. Jednym z przykładów jest współczynnik Q, który poprzez zależność matematyczną informuje o bitowej stopie błędów (BER) transmisji danych. Odznaczają się tutaj ciągłe wpływy wynikające z szumów i niepożądanych efektów Jittera, czy stanów przejściowych.
Z diagramu oka odczytać można też szerokość pasma, ponieważ jest ona związana z czasem narastania sygnału na diagramie. Podobnie w przypadku szerokości pasma podłączonej do oscyloskopu sondy. Podczas wyboru podłączanej sondy należy zwrócić uwagę na jej odpowiednią szerokość pasma, aby zminimalizować jej wpływ na czasy narastania i opadania analizowanych sygnałów. W tej kwestii Rigol również nie zawiódł i zaproponował nową serię sond PVA8000, o których więcej w późniejszej części artykułu.
Opisana powyżej synchronizacja jest istotna z punktu widzenia możliwości przedstawiania konkretnych informacji o badanym sygnale. DS70000 oferuje też inne rodzaje synchronizacji zależne od konkretnych celów stosowania, np.: dla pętli synchronizacji fazy strumieni danych (PPL) lub tych zsynchronizowanych z zegarem.
Zdj. 3.
Analiza Jittera
Jitter w sygnale danych może być również spowodowany przez niepożądany wpływ Jittera z użytego sygnału zegarowego. Tutaj nasz oscyloskop przychodzi z pomocą, jaką jest wykonanie dedykowanej analizy Jittera. Szczegółowe tabele informacyjne analizy Jittera wskazują jak duży Jitter występuje w zegarze, którego dotyczy problem. Pozostaje tylko ustalenie, skąd pochodzą powyższe zakłócenia i jaka jest ich natura. Z jednej strony mogą to być zakłócenia niesymetryczne lub losowe. – Da się je do pewnego stopnia zredukować poprzez podjęcie odpowiednich środków. Z drugiej strony, zdefiniowane zakłócenia mogą wytwarzać systematyczny lub deterministyczny Jitter. Jeśli tylko symetria i sygnał zakłócający są rozpoznane, ich usunięcie nie będzie problematyczne.
Analiza Jittera z wyświetlaniem trendu oraz zastosowanie histogramu, tak jak prezentacja Jittera w dziedzinie częstotliwości są odpowiednimi narzędziami do szybkiej klasyfikacji i redukcji zakłóceń Jittera. Trend odzwierciedla integrację zakłóceń Jittera. Na przykład, jeśli widoczny staje się trend piłokształtny, oczywiste jest, że Jitter zmienia się jak okresowy puls i odpowiada systematycznemu Jitterowi. Jeśli dodamy rozkład histogramu, ukażą nam się dalsze szczegóły sygnału. Dzięki znajomości charakterystyki sygnału zakłócającego, można go zlikwidować lub wprowadzić skuteczniejszą ochronę przed nim poprzez celowe wprowadzenie zmian do projektu połączeń. Istnieje możliwość zestawienia częstotliwości Jittera z częstotliwością sygnału danych, w celu przeanalizowania wpływu sygnału zakłóceń wywołanego Jitterem. Wyniki analizy zostaną przedstawiane w tabeli, która obejmuje sumę Jittera wraz z odpowiadającymi jej udziałami deterministycznymi oraz Jitter okresowy.
Opisana analiza Jittera może być przeprowadzana jednocześnie z pomiarami diagramu oka (Eye-diagram), co pozwala na szybkie, wygodne i kompleksowe przeanalizowanie sygnału danych.
Funkcje wyzwalania i funkcja dekodowania magistral szeregowych
Seria DS70000 wychodzi naprzeciw przyszłym użytkownikom proponując szerokie możliwości w wyzwalaniu i dekodowaniu magistral, takich jak: FlexRay, CAN-FD, LIN, I2C i wielu innych często stosowanych w przemyśle motoryzacyjnym.. DS70000 umożliwia dekodowanie 4 magistral jednocześnie – jest to szczególnie ważne w przypadku złożonych obwodów z różnymi systemami magistral. Rezultat powyższych działań wyświetlany jest w formie tabeli wyników, która może być zapisana do pliku .csv. Oscyloskop w zależności od ustawień zapisywania, może zarejestrować do 2 milionów ramek. Sygnał można analizować i dekodować również w późniejszym czasie.
W celu wstępnych pomiarów zgodności, można przeprowadzać na urządzeniu różne testy w tym wartości szczytowe, dokładność amplitudy napięcia wspólnego, lub występowania Jittera. Obsługiwane są m.in. interfejsy USB2.0 HS i Ethernet 10-/100-/ lub 1000BaseTX, bazując na normie IEEE 802.3-2018.
Tryb wysokiej rozdzielczości do 16 bitów
W przypadku serii DS70000 możliwe jest zwiększenie rozdzielczości pionowej, co w energetyce jest szczególnie istotnym narzędziem do wyłapywania najdrobniejszych zmian w krzywych napięcia i natężenia. Pionowa rozdzielczość w zależności od szerokości pasma i częstotliwości próbkowania może osiągać do 16 bitów. (Zdjęcie 4.) Z reguły użytkownik będzie nie tylko wyświetlać zmierzone wartości na ekranie DS70000, ale może chcieć zapisać je na stałe w pamięci zewnętrznej w celu głębszej analizy. Dlatego w oscyloskopie znajduje się wiele różnych interfejsów. Przy użyciu interfejsu LAN, urządzenie może być obsługiwane przez przeglądarkę. Do szybkiego przenoszenia danych posłuży interfejs USB-3.0 lub interfejs optyczny dla prędkości przenoszenia do 10 Gbit/s. W celu wyświetlenia zawartości ekranu na większym wyświetlaczu zewnętrznym, użytkownik ma do dyspozycji interfejs HDMI.
Zdj. 4.
Nowa sonda PVA8000
W ramach premiery oscyloskopu DS70000 Rigol rozszerzył swoje portfolio o nową aktywną sondę różnicową (Zdjęcie 5.). Szczególne cechy tego chipsetu umieszczonego w sondzie to niska charakterystyka szumów i bardzo liniowe wzmocnienie sygnału, w zależności od maksymalnej częstotliwości 3,5 GHz, 5 GHz lub 7 GHz. Ponadto, wyrównanie linii wzmocnienia amplitudy nad zakres częstotliwości jest wbudowane bezpośrednio w Chip, co czyni go znacznie bardziej wytrzymałym w obliczu zmieniających się bodźców z otoczenia.
Nowa Seria DS70000 z Serią sond PVA8000 jest zdecydowanym krokiem Rigola w stronę najwyższej klasy urządzeń pomiarowych. Dzięki swojej kompleksowości, oscyloskop DS70000 znajdzie zastosowanie w wielu branżach przemysłowych, działach badań i rozwoju oraz w branży edukacyjnej.
Zdj. 5.
