мвыб с что это
Глубина памяти осциллографа: больше — не всегда лучше
Представление о том, что такое глубина памяти осциллографа, часто бывает неверным. На самом деле, многие пользователи даже не знают, какова эта память. В статье обсуждается это понятие, значение памяти, а также преимущества и компромиссы ее использования в осциллографах с различной архитектурой. Статья представляет собой перевод [1].
Какова глубина памяти вашего настольного осциллографа? Затрудняетесь ответить? Не расстраивайтесь, большинство пользователей тоже этого не знает. Но вы уверены в том, что чем больше глубина памяти, тем лучше? Ответ на этот вопрос не столь прост, как кажется.
Попытаемся разобраться, что такое память захвата осциллографа и насколько важен этот параметр. В простейшем случае на входной каскад осциллографа поступает аналоговый сигнал, а затем в АЦП этот сигнал преобразуется в цифровую форму. После оцифровки данные должны быть сохранены в памяти, обработаны и отображены на экране в виде осциллограммы. Память осциллографа непосредственно связана с частотой дискретизации. Чем больше объем памяти, тем более длинную выборку можно сохранить при захвате сигналов за более длительный период времени. Чем выше частота дискретизации, тем выше эффективная полоса пропускания осциллографа.
Скорость обновления (или связанное с ней понятие «мертвое время») показывает, как быстро осциллограф может запуститься, обработать захваченные данные, а затем отобразить их на экране. Чем выше скорость обновления или короче мертвое время, тем больше шансов поймать редкое событие. Представление о высокой скорости обновления часто связывается с выпущенными довольно давно аналоговыми осциллографами. К счастью, такие новые архитектуры осциллографа как MegaZoom IV компании Agilent обеспечивают более высокие скорости обновления, чем самый быстрый аналоговый осциллограф, недавно появившийся на рынке.
Итак, чем глубже память осциллографа, тем он лучше? В идеальном случае ответ на этот вопрос положительный. Но давайте сравним два осциллографа со всеми аналогичными характеристиками кроме одной — глубины памяти. Первый из них обеспечивает полосу пропускания 1 ГГц, частоту дискретизации 5 Гвыб./с и возможность хранить в памяти 4 млн выборок (назовем для определенности эту архитектуру MegaZoom). Другой осциллограф обеспечивает полосу пропускания 1 ГГц, частоту дискретизации 5 Гвыб./с и память захвата на 20 млн выборок (архитектура на основе ЦП). В таблице 1 приведены данные о настройках скорости развертки и частоте дискретизации. Существует следующая простая формула для расчета требуемой частоты дискретизации при заданных скорости развертки и объеме памяти (для 10 делений на экране и без сигналов, захваченных вне развертки экрана):
Частота дискретизации (до максимального значения частоты дискретизации АЦП) = глубина памяти/((установленная скорость развертки) × 10 делений).
Например, при скорости развертки 160 мкс/дел. и максимальной глубине памяти 4 млн выборок получаем: 4000000/((160 мкс/дел. ∙ 10 дел.) = 2,5 Гвыб./с.
Из таблицы 1 следует, что чем больше глубина памяти, тем выше частота дискретизации по мере снижения скорости развертки (время/дел.). Поддержание высокой частоты дискретизации — важная функция, позволяющая осциллографу работать с максимальной эффективностью. В современных осциллографах доступен широкий диапазон значений глубины памяти при частоте дискретизации 5 Гвыб./с — от 10 Квыб. до 1 Гвыб.
4 млн выборок
20 млн выборок
Понятно, что глубокая память полезна, если речь идет о высокой частоте дискретизации. Но когда глубокая память невыгодна? Когда она замедляет работу осциллографа до такой степени, что уже не позволяет решать проблемы при отладке схем?
Глубокая память — это большая нагрузка на систему. Одни осциллографы, настроенные на быстрый захват сигналов и высокую скорость обновления сигналов на экране, продолжают быстро реагировать на управление. Другие осциллографы обладают заявленными характеристиками лишь на бумаге, а в действительности ими нельзя воспользоваться, т.к. при прочих равных условиях скорость обновления у них падает на несколько порядков (для обсуждения скорости обновления см. врезку).
Обратимся снова к тем же двум осциллографам. При 20 нс/дел. (высокая скорость развертки) оба осциллографа реализуют максимально возможные скорости обновления. И ни один из осциллографов не использует всю память, значение которой указано в техническом описании. Но что происходит в случае более медленных скоростей развертки, например, 400 нс/дел.? Осциллограф с архитектурой MegaZoom использует больше памяти, чтобы сохранить максимально возможную частоту дискретизации — он ведет себя так, как и следует ожидать от прибора с глубокой памятью, который поддерживает частоту дискретизации 5 Гвыб./с и все еще высокую скорость обновления. Осциллограф с архитектурой на основе ЦП по-прежнему будет использовать то же заданное по умолчанию значение глубины памяти, чтобы не увеличилось время реакции на управление, и не сможет поддерживать высокую частоту дискретизации. При этом может снизиться и скорость обновления.
Что произойдет, если регулировать глубину памяти для сохранения высокого значения частоты дискретизации? Мы заметим, что в осциллографе, не способном регулировать глубину памяти, частота дискретизации максимальна (5 Гвыб./с), а скорость обновления сигналов на экране составляет 1/3 от аналогичного значения для осциллографа с MegaZoom. Причем, она уменьшается при более медленных скоростях развертки (например, при 4 мкс/дел. скорость обновления осциллографа с MegaZoom в 20 раз выше, чем у осциллографа на основе ЦП, см. табл. 2).
Скорость развертки
Архитектура MegaZoom
Архитектура на основе ЦП
Частота дискретизации
Скорость обновления
Глубина памяти
Частота дискретизации
Скорость обновления
Глубина памяти
Что же отличает один осциллограф, оптимизированный по глубине памяти, от другого, у которого фиксированная настройка используемой памяти 10 Квыб., чтобы сохранить быструю реакцию на управление? Главным образом, это зависит от архитектуры осциллографа. В некоторых осциллографах используется центральный процессор общего назначения («архитектура на основе ЦП»), и от степени его адаптации для конкретной задачи зависит, насколько быстро осциллограф обрабатывает информацию и отображает ее на экране. Если ЦП не способен решать задачи управления глубиной памяти при регистрации захваченных сигналов, он замедляет процесс обработки и отображения данных, тем самым снижая скорость обновления сигналов (иногда существенно). На рисунке 1 представлен пример такой архитектуры.
К счастью, существует другой путь. В осциллографах, оптимизированных по глубине памяти, используется специализированная ИС, которая позволяет отказаться от ЦП как составной части архитектуры осциллографа. Остался ли в осциллографе центральный процессор? Конечно, но теперь он используется для периферийной обработки данных, что позволяет осциллографу выполнять свое главное назначение — отображать сигналы. На рисунке 2 показан пример этой инновационной архитектуры, используемой в осциллографах DSO серии 3000 X компании Agilent. В них применяется специализированная ИС MegaZoom IV, обеспечивающая высокую скорость обновления при максимально возможных глубине памяти и частоте дискретизации.
Память и архитектура осциллографа настолько взаимосвязаны, что существуют причины, по которым нельзя поддерживать по умолчанию значение глубины основной памяти 10 Квыб. Например, одним из лучших усовершенствований в осциллографах за последние 15 лет стало добавление цифровых каналов, однако не все цифровые каналы реализованы одинаково. Включение цифровых каналов в архитектуру на основе ЦП, которую мы обсуждали выше, вызовет такое замедление работы осциллографа, что скорость обновления никогда не превысит 135 осц./с независимо от глубины памяти или скорости развертки. Это на несколько порядков медленнее, чем максимальная скорость обновления, указанная производителем. Почему так происходит? Опять же, причина того — архитектура осциллографа.
Как видно из рисунка во врезке, цифровые каналы осциллографа смешанных сигналов (MSO) не слишком удачно вписываются в архитектуру на основе ЦП, в которой процессору отводится основная роль в формировании изображения развертки. Можно заметить, что в осциллографах с архитектурой MegaZoom (см. рис. 1) цифровые каналы являются неотъемлемой частью специализированной ИС, которая выполняет формирование изображения развертки сигналов для всех каналов. Архитектура MegaZoom позволяет не замедлять работу осциллографа при подключении цифровых каналов. Другие общие функции, как например интерполяция Sinx/x, также могут настолько замедлить работу приборов на основе ЦП, что произойдет катастрофическое снижение скорости обновления при изменении скорости развертки в зависимости от того, подключен или отключен фильтр Sinx/x. Архитектура MegaZoom не страдает от этой проблемы.
Низкая скорость отклика осциллографа на управление является еще одним недостатком систем на основе ЦП. Вы когда-нибудь ждали, когда установится переключенная скорость развертки на осциллографе с большой глубиной памяти? Или пытались вернуть прежнюю настройку только потому, что осциллограф медленно реагирует и вы случайно проскочили требуемое значение? Это происходит из-за того, что ЦП не успевает обработать данные — одна и та же причина вызывает снижение скорости обновления и приводит к падению скорости реакции прибора на управление.
До сих пор мы обсуждали режимы, в которых осциллограф работает и используется, например, для отладки. Но если необходимо взглянуть на сигнал, захваченный за один цикл выборки, то прибор с большим объемом памяти предпочтительнее, так ведь? Для отображения этого сигнала не требуется высокая скорость обновления, а скорость реакции осциллографа на управление должна быть лучше, чем в случае непрерывного захвата и отображения. Это логичное предположение в некоторых случаях действительно верно. Но что, если вы рассматриваете сигнал, представляющий собой пакеты данных с большими временными промежутками между ними (например, импульс РЛС или кадры/пакеты данных последовательных шин)? В осциллографах без оптимизации глубины памяти необходимо использовать все, что хранится в памяти выборок: и то, что захвачено во время паузы между пакетами, и сам пакет данных. Это не самое лучшее применение памяти, так как пользователю, наверное, требуются только пакеты. В некоторых осциллографах предусмотрена функция «сегментированной» памяти, которая позволяет оцифровывать только требуемую часть сигнала. Благодаря этой функции память используется более эффективно.
Рассмотрим пример, где необходимо применение сегментированной памяти. На рисунке 3 видны два пакета радиолокационных сигналов, разделенных большой паузой. В осциллографах без оптимизации глубины памяти оцифровываются и пакеты, и сигнал между ними. Из этого рисунка видно, что частота дискретизации осциллографа (с типовым значением 5 Гвыб./с) составляет всего лишь 625 Мвыб./с — и это для захвата только двух импульсов! Что же произойдет, если потребуется захватить 100 импульсов? Частота дискретизации снизится до значения менее 10 Мвыб./с, и импульсы далее нельзя будет идентифицировать, т.к. они расположатся далеко за пределами выборки. На захват этих 100 импульсов и всего времени паузы между ними при частоте дискретизации 5 Гвыб./с понадобится осциллограф с памятью на 2,5 Гвыб. В настоящее время на рынке нет осциллографов с такой глубиной памяти.
В случае сегментированной памяти можно оцифровать только ту область, которая представляет интерес (сам пакет) и игнорировать время паузы между пакетами. На рисунке 4 представлен первый из 100 ВЧ-пакетов, захваченных с помощью сегментированной памяти. Обратите внимание на то, что частота дискретизации составляет 5 Гвыб./с и каждый сегмент имеет метку времени, указывающую на то, какой момент времени рассматривается относительно начального пуска. На рисунке 5 показан 100-й пакет и его метка времени (396,001 мс). Осциллограф позволяет перемещаться между сегментами и анализировать их (в т.ч. декодировать пакеты в каждом сегменте, если используется сегментированная память для анализа сигнала последовательной шины).
Таким образом, часто приходится убеждаться в том, что привлекательные характеристики вовсе не являются преимуществом предлагаемого изделия. Хотя большое значение памяти захвата может и выглядеть очень заманчивым, следует подумать о том, как будет использоваться осциллограф. В некоторых случаях самая глубокая память, действительно, станет лучшим выбором. Но во многих других применениях осциллограф с оптимизацией глубины памяти является лучшим вариантом, т.к. он не разочарует своей медлительностью или нестабильной работой.
Как выбрать цифровой осциллограф в 2021 г. [Руководство]
Для тех, кто занимается разработкой, изготовлением или ремонтом электронного оборудования, основным рабочим прибором всегда был, есть и будет (мы очень на это надеемся 🙂 ) цифровой осциллограф.
Данное руководство посвящено ответу на вопрос: «как выбрать цифровой осциллограф?».
Оглавление:
Прежде чем понять, как правильно выбрать цифровой осциллограф, стоит понимать, что он из себя представляет и зачем он Вам нужен.
Цифровой запоминающий осциллограф:
Осциллограф какой бы марки вы не выбрали ( Tektronix, Rohde & Schwarz, Keysight) должен не только соответствовать характеру вашей работы, но и:
Точность. Вы должны точно знать, какие сигналы собираетесь исследовать: звуковые сигналы и аналоговые сигналы датчиков или импульсы и ступеньки (цифровые сигналы). Если вы работаете с цифровыми сигналами, то будете ли вы измерять длительность перепадов, или вас интересуют лишь примерные временные соотношения? Будете ли вы использовать осциллограф для измерения характеристик разрабатываемой схемы, или в основном он нужен вам для отладки? В любом случае изначально точный захват сигнала важнее любой последующей обработки – ваши решения должны опираться на точную исходную информацию, которую затем вы всегда сможете обработать на ПК.
Возможности. Следует учитывать не только те схемы, которые вы разрабатываете сегодня, но и те, что будете создавать завтра. Высококачественный осциллограф с широкими возможностями верно прослужит вам долгие годы.
Гарантированные характеристики цифровых осциллографов. Убедитесь, что все характеристики, связанные с необходимыми видами измерений, отмечены в техническом описании, как «гарантированные». Если значения параметров указаны, как «типовые», они являются статистической характеристикой и не могут использоваться для выполнения достоверных измерений в соответствии с общепринятыми стандартами качества. Ниже будут перечислены основные параметры цифровых осциллографов.
Критерии выбора цифрового осциллографа
1.Полоса пропускания цифрового осциллографа
Системная полоса пропускания цифрового осциллографа определяет главную способность цифрового запоминающего осциллографа измерять аналоговый сигнал – максимальный диапазон частот, в котором обеспечивается точное измерение.
Что необходимо учитывать
Рис 1. Полоса пропускания определяется как полоса частот, в пределах которой входной синусоидальный сигнал ослабляется осциллографом не более чем до 70,7 % или по уровню –3 дБ (по уровню половинной мощности), как показано на данном рисунке для осциллографа с полосой пропускания 1 ГГц.
При выборе осциллографа — это один из главных факторов.
2. Время нарастания цифрового осциллографа
При работе с аналоговыми схемами основным критерием пригодности осциллографа является полоса пропускания. При исследовании импульсных или многоуровневых сигналов с крутыми фронтами наиболее важно, насколько точно осциллограф измеряет длительность фронта.
Что необходимо учитывать
Рис 2. Ваш осциллограф должен быть достаточно быстродействующим для точного захвата быстрых переходных процессов.
3. Согласованные пробники
Точные измерения начинаются с наконечника пробника. Полоса пропускания пробника должна соответствовать полосе пропускания осциллографа (с учетом «правила пятикратного превышения»), и при этом пробник не должен создавать излишнюю нагрузку на цепи тестируемого устройства.
Что необходимо учитывать
Рис 3. Выбирая пробник, подготовьте ответы на следующие вопросы. Что вы планируете измерять – напряжение, ток или и то, и другое? Какова частота исследуемого сигнала? Велика ли амплитуда? Высокое или низкое выходное сопротивление имеет тестируемое устройство? Нужны ли вам дифференциальные измерения? Выбор пробников зависит от того, с какими устройствами и сигналами вы собираетесь работать.
Поэтому, задача не только в том, как выбрать цифровой осциллограф, но и как пользоваться осциллографом.
Используйте несколько пробников. Для начала выберите пассивные пробники с широкой полосой пропускания и малой входной емкостью. Активные несимметричные пробники имеют полосу пропускания от 1-4 ГГц, а дифференциальные – до 20 ГГц и выше. Добавив токовый пробник, вы сможете использовать осциллограф для расчета и отображения мгновенной мощности, активной мощности, полной мощности и фазы. Высоковольтные пробники могут измерять напряжения до 40 кВ пикового значения. Специальные пробники включают логические, оптические, тепловые и др.
4. Сколько нужно каналов для выбора осциллографа?
Цифровые осциллографы оцифровывают сигнал, поступающий на входные аналоговые каналы, а затем сохраняют и отображают полученные значения. Обычно, чем больше каналов, тем лучше, хотя дополнительные каналы увеличивают цену прибора.
Что необходимо учитывать
Рис 4. Комбинированные осциллографы (MDO) не только предлагают аналоговые и цифровые каналы, как и осциллографы смешанных сигналов (MSO), но и имеют отдельный РЧ вход, сигнал которого можно анализировать в частотной области.
5. Частота дискретизации цифрового осциллографа
Частота дискретизации осциллографа подобна частоте кадров видеокамеры. Она определяет количество мелких деталей сигнала, которые может захватить и отобразить осциллограф.
Что необходимо учитывать
Рис 5. Точность отображения сигнала зависит от частоты дискретизации и от используемого метода интерполяции.
Линейная интерполяция соединяет выборки сигнала прямыми линиями, но такой подход ограничен реконструкцией сигналов с прямыми участками.
Интерполяция «sin x/x» представляет собой математический процесс, в котором для заполнения промежутков между реальными выборками рассчитываются дополнительные точки. Эта форма интерполяции хорошо работает для сигналов криволинейной формы и непериодических сигналов, которые в реальных схемах встречаются значительно чаще, чем чистые меандры или импульсы.
Следовательно, интерполяция «sin x/x» более предпочтительна для приложений, где частота дискретизации превышает полосу пропускания системы от 3 до 5 раз.
Для захвата глитчей нужна скорость. Теорема Котельникова гласит, что для точной реконструкции сигнала частота дискретизации должна не менее чем в два раза превышать его наивысшую частотную составляющую.
Однако это соотношение определяет абсолютный минимум, который применим только к синусоидальным и периодическим сигналам. Глитчи по определению являются непериодическими, поэтому дискретизация с удвоенной частотой наивысшей составляющей обычно недостаточна. Вывод: высокая частота дискретизации повышает разрешение, позволяя увидеть накладывающиеся друг на друга события.
6. Гибкая система запуска
Система запуска обеспечивает стабильное изображение и позволяет выделять конкретные фрагменты сложных сигналов.
Что необходимо учитывать
Рис 6. Запуск позволяет начать горизонтальную развертку с нужной точки сигнала, а не просто с того места, где закончилась предыдущая развертка. При однократном запуске происходит захват по всем каналам одновременно.
Расширенные функции запуска помогают найти нужную информацию. Запуск по заданным условиям позволяет выделить определенный участок осциллограммы и обнаружить аномалии. Функции запуска можно настроить на специальные условия во входном сигнале, облегчая, например, обнаружение импульсов, длительность которых меньше заданной
7. Длина записи
Длина записи – это число точек, из которых состоит зарегистрированная осциллограмма. Осциллограф имеет ограниченный объем памяти для записи выборок, поэтому чем больше объем памяти, тем большую длину записи можно получить.
Что необходимо учитывать
Рис 7. Поскольку осциллограф может сохранять лишь ограниченное число выборок, временное окно захвата осциллограммы обратно пропорционально частоте дискретизации осциллографа. Время захвата = Длина записи / Частота дискретизации.
Получите полную картину. Достаточно детальный захват для декодирования сигнала шины USB требует высокого разрешения по времени (200 пс). Регистрация нескольких пакетов требует продолжительного времени захвата (200 мкс). Чтобы отобразить и то и другое, нужен осциллограф с большой длиной записи (1 млн. точек).
8. Система навигации и анализа
Поиск определенных аномалий формы сигнала можно сравнить с поиском иголки в стоге сена. Вам понадобятся средства, автоматизирующие этот процесс и ускоряющие получение результата.
Что необходимо учитывать
Рис 8. Осциллографы с длиной записи в миллионы точек могут выполнять захват в течение длительного времени, что очень важно для исследования сложных сигналов. Расстановка маркеров помогает, например, измерять задержки на шине CAN.
9. Расширенная поддержка приложений
Лучшие осциллографы имеют прикладное программное обеспечение для диагностики оптических и электрических схем и тестирования на соответствие стандартам.
Что необходимо учитывать
Рис 9. Устойчиво ли работает ваш импульсный источник питания? Средства автоматического анализа позволяют измерять каждый параметр одним нажатием кнопки, предлагая быстрый и точный анализ области безопасной работы (ОБР), качества питающего напряжения, коммутационных потерь, гармоник, модуляции, пульсаций и скорости нарастания выходного тока и напряжения (di/dt, dv/dt).
10. Простое управление
Осциллографы должны быть просты в управлении даже для неопытных пользователей. Интерфейс пользователя дает существенный вклад во время решения инженерной задачи.
Что необходимо учитывать
Рис 10. Многие люди пользуются осциллографом не каждый день. Интуитивное управление позволяет даже неопытным пользователям чувствовать себя комфортно, в то же время предлагая опытным пользователям простой доступ к наиболее востребованным функциям. Для использования как в лабораторных, так и в полевых условиях выпускается множество моделей портативных осциллографов.
11.Интерфейсы и возможности расширения
Непосредственное подключение осциллографа к компьютеру или передача данных через сменные носители позволяет выполнять расширенный анализ, упрощает документирование и обмен результатами измерений.
Что необходимо учитывать
Рис 11. К стандартным интерфейсам осциллографа относятся GPIB, RS-232, USB, Ethernet, LXI, а также интерфейсы для связи с сетевыми коммуникационными модулями. Интерфейс USB широко используется для сохранения осциллограмм, результатов измерений и наборов настроек на флэш- накопителях. PictBridge позволяет использовать осциллограф в качестве цифровой камеры. Порт VGA обеспечивает подключение внешнего монитора.
… и, наконец, учтите душевный комфорт!
Конечно, приобретая осциллограф, вы заплатите за него определенную сумму, но во что выльются последующие эксплуатационные расходы?
Ознакомьтесь со стоимостью услуг по поддержке прибора, предлагаемых производителем, и оцените, насколько они увеличивают ваши расходы и продлевают срок службы осциллографа.
К таким услугам относятся обучение по месту установки, системная интеграция, управление проектами и другие профессиональные услуги, которые помогут повысить эффективность прибора и позволят выполнять точные и достоверные измерения.
Удобные пакеты дополнительных услуг и такие виды поддержки, как расширенная гарантия, могут сэкономить деньги в долговременной перспективе и избавить от ненужных волнений.