Wp³yw d³ugoœci pamiêci

na u¿yteczne pasmo

D³uga pamiêæ oscyloskopu pozwala za-

chowaæ du¿¹ czêstotliwoœæ próbkowania

dla najszybszej nawet podstawy czasu.

D³ugoœæ pamiêci (liczba pamiêtanych

próbek) okreœla maksymaln¹ czêstotliwoœæ

próbkowania zgodnie ze wzorem:

w którym:

SR _ czêstotliwoœæ próbkowania

N _ d³ugoœæ pamiêci

PC _ wartoϾ podstawy czasu

LD _ liczba dzia³ek na ekranie.

Np. w oscyloskopie o LD = 10 dzia³kach na

ekranie i d³ugoœci pamiêci N = 50 000

próbek, dla podstawy czasu PC = 5

µ

s/dzia³kê czêstotliwoœæ próbkowania mo-

¿e byæ SR = 1 GS/s i wyœwietlany przebieg

wype³ni ca³y ekran. Przy wiêkszej czêsto-

tliwoœci próbkowania zmierzony przebieg

wype³ni³by tylko czêœæ ekranu (co jest nie-

dopuszczalne). Zatem przy zwiêkszaniu

podstawy czasu (tzn. zwiêkszaniu czasu na

dzia³kê) oscyloskop musi zredukowaæ czê-

stotliwoœæ próbkowania, aby zarejestrowa-

ny przebieg wype³ni³ ca³y ekran. Ale zmniej-

szenie czêstotliwoœci zbierania próbek po-

woduje w efekcie ograniczenie pasma po-

miarowego. A zatem stosowanie d³ugich

SR

N

PC LD

=

⋅

PODSTAWY DZIA£ANIA

OSCYLOSKOPÓW CYFROWYCH

(2)

do rejestracji ró¿nych niezale¿nie rejestro-

wanych zdarzeñ.

Rejestracja szczegó³ów

Na rys. 3 przedstawiono fragment sygna³u

wizyjnego o czasie trwania 20 ms zareje-

strowany przez dwa ró¿ne oscyloskopy cy-

frowe: jeden z pamiêci¹ o d³ugoœci równej

1 mln próbek (rys. 3a) i drugi z pamiêci¹

o d³ugoœci 100 tys. próbek (rys. 3b). Wy-

¿szoœæ oscyloskopu z d³u¿sz¹ pamiêci¹

najlepiej widaæ porównuj¹c powiêkszone

(rozci¹gniête) fragmenty przebiegów znaj-

duj¹ce siê w dolnej czêœci ekranu. Czê-

stotliwoœæ próbkowania oscyloskopu z krót-

sz¹ pamiêci¹ wynosi (z powodów opisa-

nych wczeœniej) tylko 5 MS/s i jest zbyt

ma³a, aby dok³adnie zarejestrowaæ szybkie

i krótkie oscylacje.

Na tym przyk³adzie zilustrowano, jak d³u-

goœæ pamiêci _ przez zmianê czêstotliwo-

œci próbkowania _ wp³ywa na dok³adnoœæ

pomiaru. Oba oscyloskopy rejestruj¹ odci-

nek przebiegu o tym samym czasie trwa-

nia równym 20 ms (10 dzia³ek; podstawa

czasu równa 2 ms/dz.). Oscyloskop z krót-

sz¹ pamiêci¹ próbkuje z czêstotliwoœci¹

5 MS/s (100 000/20 ms), podczas gdy ten

z d³u¿sz¹ pamiêci¹ ma czêstotliwoœæ prób-

kowania 50 MS/s (1 000 000/20 ms).

Czêstotliwoœæ próbkowania jest wiêc, a¿

do maksymalnej (granicznej) czêstotliwo-

pamiêci pozwala zachowaæ szerokie pa-

smo dla nawet najszybszych podstaw cza-

su, co zwiêksza dok³adnoœæ pomiaru i

pozwala obserwowaæ wiêcej szczegó³ów.

Zalety stosowania

d³ugich pamiêci

Poni¿ej wymieniono szereg zalet wynikaj¹-

cych z d³ugiej pamiêci oscyloskopu cyfrowe-

go.

1. Mo¿liwoœæ obserwacji szczegó³ów dziê-

ki mo¿liwej du¿ej czêstotliwoœci próbkowa-

nia.

2. Mo¿liwoœæ rejestracji impulsów szpilko-

wych bez zniekszta³cania przebiegu.

3. Lepsza rozdzielczoœæ czasowa (czêsto-

tliwoœciowa przy wyœwietlaniu widma sy-

gna³u).

4. Pewna rejestracja zdarzeñ, których po-

³o¿enie w czasie jest nieprzewidywalne.

5. Brak czasu martwego podczas rejestra-

cji ró¿nych zdarzeñ _ rejestracja bez

podzia³u pamiêci. (Czas martwy jest

opóŸnieniem miêdzy zakoñczeniem reje-

stracji jednego zdarzenia a mo¿liwoœci¹

rozpoczêcia nowego pomiaru. W czasie

martwym oscyloskop cyfrowy wykonuje

operacje zwi¹zane z przetwarzaniem i wy-

œwietlaniem zarejestrowanego sygna³u).

6. Mo¿liwoœæ uzyskania ma³ego czasu mar-

twego (typ. 25

÷

30

µ

s) podczas podzia³u

d³ugiej pamiêci na czêœci przeznaczone

r

MIERNICTWO

14

Radioelektronik Audio-HiFi-Video 1/2002

Rys. 3. Fragment sygna³u wideo o czasie 20 ms zmierzony oscyloskopem cyfrowym

a _ z pamiêci¹ 1 000 000 próbek i czêstotliwoœci¹ próbkowania 50 MS/s b _ z pamiêci¹ 100 000 próbek i czêstotliwoœci¹ próbkowania 5 MS/s

a)

b)

15

Radioelektronik Audio-HiFi-Video 1/2002

œci próbkowania danego oscyloskopu cy-

frowego, funkcj¹ d³ugoœci pamiêci. Na-

wet, jeœli dwa oscyloskopy cyfrowe maj¹

równ¹ maksymaln¹ czêstotliwoœæ prób-

kowania, to ten z d³u¿sz¹ pamiêci¹ mo¿e

zarejestrowaæ wiêcej punktów na ekranie

(próbek) i w efekcie dawaæ szersze pasmo

u¿yteczne podczas rejestracji d³ugich sy-

gna³ów.

Wyzwalanie

Sposoby wyzwalania oscyloskopu cyfro-

wego s¹ istotnym czynnikiem decyduj¹cym

o jego przydatnoœci i uniwersalnoœci. Przy-

padki takie, jak pojedyncze (krótkie) za-

k³ócenia, wystêpowanie brakuj¹cych bitów,

jitter czasowy, b³êdy w systemach mikropro-

cesorowych, zawieszanie siê systemu czy

te¿ konflikty na magistrali s¹ bardzo trudne

lub wrêcz niemo¿liwe do przebadania kon-

wencjonalnym oscyloskopem. Czêsto zda-

rza siê, ¿e tanie oscyloskopy cyfrowe s¹

wyposa¿one w standardowy system wy-

zwalania, a dopiero wersje drogie zawiera-

j¹ rozbudowany uk³ad wyzwalania. Inne

podejœcie do tej sprawy proponuje na przy-

k³ad firma LeCroy, która we wszystkich swo-

ich oscyloskopach stosuje prze³¹cznik

umo¿liwiaj¹cy wybór miêdzy wyzwalaniem

standardowym i rozbudowanym (nazwa fir-

mowa: SMART trigger). SMART trigger za-

pewnia u¿ytkownikowi dostêp do wielu z³o-

¿onych trybów wyzwalania opartych na po-

³¹czeniu dwóch metod:

1. mo¿liwoœci dokonania wyboru stanu lo-

gicznego Ÿród³a sygna³u wyzwalaj¹cego

(CH1, CH2, CH3, CH4, EXT, EXT/5,

EXT/10),

2. zastosowania programowanego licznika

s³u¿¹cego do zliczania zdarzeñ od 1 do 10

9

lub czasu w zakresie od <2,5 ns do 20 s z kro-

kiem równym 1% podstawy czasu.

Kombinacja tych dwóch sposobów daje tak

wiele mo¿liwoœci, ¿e mo¿e spowodowaæ

utrudnienia w u¿ywaniu oscyloskopu. Dla-

tego te¿ bardzo starannie zaprojektowano

wyzwalanie SMART i sposób jego obs³ugi.

Po wyborze tej funkcji na ekranie pojawia siê

przyjazne u¿ytkownikowi menu zapewnia-

j¹ce ³atwoœæ u¿ytkowania bez straty uni-

wersalnoœci. Zastosowano równie¿ graficz-

ny system informacji o warunkach wyzwa-

lania. SMART trigger sk³ada siê z kilku try-

bów wyzwalania.

1. Ustalone Ÿród³o wyzwalania z regulacj¹

czasu martwego (hold-off). U¿ytkownik usta-

la Ÿród³o sygna³u wyzwalaj¹cego, rodzaj

sprzê¿enia sygna³u, poziom i zbocze. Regu-

lacja czasu martwego powoduje, ¿e kolejne

wyzwolenie procesu rejestracji nast¹pi do-

piero po up³ywie ustawionego czasu. Jest to

typowy rodzaj wyzwalania stosowany

w oscyloskopach analogowych. W oscylo-

skopach cyfrowych dochodzi dodatkowo

mo¿liwoœæ ustalenia liczby zdarzeñ, po wy-

st¹pieniu których nast¹pi wyzwolenie ko-

lejnego procesu rejestracji. Np. obserwa-

cja sygna³u wyjœciowego generatora ci¹gu

pseudolosowego jest znacznie u³atwiona

przy zastosowaniu tego typu wyzwalania.

Je¿eli generator wytwarza 4095 stanów, to

ustawienie licznika zdarzeñ na wartoœæ 4094

da na ekranie stabilny obraz.

2. Ustalone Ÿród³o wyzwalania z selektyw-

nym wyzwalaniem szerokoœci¹ impulsu.

Jest to nowy tryb wyzwalania charaktery-

styczny dla oscyloskopów cyfrowych. Istnie-

j¹ tu dwie mo¿liwoœci zwi¹zane z:

q

szerokoœci¹ impulsu (pulse width), czy-

li odstêpem czasu miêdzy kolejnymi dwoma

ró¿nymi zboczami, np. narastaj¹cym i opa-

daj¹cym.

q

odstêpem miêdzy impulsami (interval

width), czyli odstêpem czasu miêdzy kolej-

nymi dwoma takimi samymi zboczami, np.

narastaj¹cymi.

Po wybraniu rodzaju pracy (pulse lub inte-

rval) ustala siê, ¿e wyzwolenie nast¹pi im-

pulsami o parametrach czasowych d³u¿-

szych lub krótszych od wartoœci zadanej, np.

impulsami o czasie trwania krótszym ni¿

10 ns. Mo¿liwe jest równie¿ zadawanie

warunków typu od _ do; np. na rys.4 przed-

stawiono wyzwalanie selektywne impulsa-

mi o szerokoœciach od 2,5 ns do 5 ns. Z ko-

lei wybór metody ”interval” z warunkiem

”d³u¿szy ni¿” pozwala rejestrowaæ sytua-

cje, gdy wystêpuj¹ brakuj¹ce kody. Przyk³ad

tego typu pomiaru jest przedstawiony na

rys.5.

3. Wyzwalanie szpilkami, s³abymi sygna-

³ami i zboczami o niepo¿¹danych czasach

narastania. Tego typu wyzwalanie stosuje

siê do diagnozowania szybkich uk³adów

cyfrowych.

4. Wyzwalanie zanikiem ci¹gu sygna³ów

(dropout trigger). Wyzwalanie rejestracji na-

stêpuje, gdy ci¹g pewnych sygna³ów za-

niknie. Taka sytuacja zdarza siê np. w sytu-

acji zawieszenia systemu cyfrowego.

Wyœwietlanie przebiegów

Oscyloskopy analogowe odœwie¿aj¹ ekran

z czêstotliwoœci¹ nawet miliona razy na se-

kundê. W przypadku oscyloskopów cyfro-

wych odœwie¿anie ekranu jest znacznie

rzadsze, przy czym wystêpuj¹ tu du¿e ró¿-

nice w zale¿noœci od modelu. Czêste od-

œwie¿anie ekranu daje efekt podobny do

tego w oscyloskopie analogowym _ u¿yt-

kownik ma wra¿enie ”¿ywego” obrazu na

ekranie. Powolne odœwie¿anie jest nato-

miast irytuj¹ce, gdy¿ prowadzi do braku na-

tychmiastowej reakcji obrazu na ekranie na

dokonane regulacje b¹dŸ inne zmiany

w uk³adzie. W efekcie mo¿e dojœæ nawet do

przeoczenia pewnych zjawisk. SzybkoϾ

odœwie¿ania ekranu jest zale¿na od wielu

czynników, np. architektury uk³adu, typu

i szybkoœci procesora, efektywnoœci zasto-

sowanych algorytmów analizy i wyœwietla-

nia. Praktyczna metoda sprawdzenia szyb-

koœci odœwie¿ania ekranu polega na regu-

Rys. 4.

Selektywne wyzwalanie

szpilk¹ o szerokoœci

2,83 ns. Oscyloskop zosta³

ustawiony w tryb

wyzwalania impulsami

o szerokoœci od 2,5

do 5 ns

Rys. 5.

Wyzwalanie nastêpuj¹ce

w przypadku wyst¹pienia

brakuj¹cego bitu. Brakuj¹cy

bit jest interpretowany jako

impuls szerszy od okresu

ci¹gu impulsów lub jako

przerwa szersza od okresu

ci¹gu impulsów

lacji pokrêt³a przesuwu góra-dó³ (podczas re-

jestracji przebiegu o œredniej d³ugoœci) i za-

obserwowaniu jak szybko obraz na ekranie

reaguje na tê regulacjê.

Algorytm wyœwietlania zareje-

strowanego przebiegu

Szybkoœæ odœwie¿ania ekranu mo¿na

zwiêkszyæ przez zastosowanie dedykowa-

nego procesora obs³uguj¹cego ekran oraz

efektywnych procedur kompresji danych.

Np. je¿eli na ekranie mo¿na wyœwietliæ

w poziomie 2000 punktów, a w pamiêci sy-

gna³u znajduje siê 50 000 próbek, to mo¿-

na wyœwietliæ tylko 1 punkt na 25 zebra-

nych próbek. Naturalnym sposobem jest

obliczenie wartoœci œredniej 25 kolejnych

próbek i wyœwietlenie tej wartoœci jako jeden

punkt na ekranie. Sposób jest szybki, ale

ma³o dok³adny _ na ekranie gin¹ szybkie

szpilkowe zak³ócenia. Innym sposobem jest

zastosowanie interpolacji sin(x)/x, jest to jed-

nak procedura czasoch³onna i spowalnia

odœwie¿anie ekranu. Ogólnie, im dok³adniej-

szy algorytm tym wiêcej czasu wymaga wy-

konywanie obliczeñ. Dlatego te¿ firmy (np.

LeCroy) stosuj¹ opracowane przez siebie al-

gorytmy i bardzo wydajne procesory d¹¿¹c

do kompromisu miêdzy czasem odœwie¿a-

nia ekranu i dok³adnoœci¹ wyœwietlania.

Zastosowanie mikroprocesorów

Mikroprocesory s¹ stosowane powszechnie

w oscyloskopach cyfrowych. Ich zadaniem

jest sterowanie przesy³em danych, ekra-

nem, portami komunikacyjnymi, wewnêtrz-

n¹ pamiêci¹. S¹ u¿ywane do obs³ugi nastaw

wykonywanych przez u¿ytkownika za pomo-

c¹ elementów regulacyjnych na panelu czo-

³owym, a niekiedy tak¿e do kontrolowania

akwizycji danych i funkcji wyzwalania. Ich

wydajnoœæ wp³ywa znacz¹co na czas od-

œwie¿ania ekranu. Dlatego te¿ czêsto stosu-

je siê szybkie procesory 32-bitowe oraz de-

dykowane procesory DSP. Celem jest osi¹-

gniecie wyœwietlania zebranych przebie-

gów w czasie rzeczywistym nawet przy sto-

sowaniu z³o¿onych algorytmów przetwa-

rzania sygna³ów (np. FFT). Rozwi¹zania

oscyloskopów cyfrowych opartych na mikro-

procesorach 8-bitowych niew¹tpliwie s¹ tañ-

sze, lecz kosztem spowolnienia dzia³ania

przyrz¹du.

Analiza przebiegów

Jedn¹ z najwiêkszych zalet oscyloskopów

cyfrowych jest mo¿liwoœæ dokonania anali-

zy zebranych danych. Te dane mog¹ byæ

analizowane w zewnêtrznym komputerze

lub przez procesor wewnêtrzny oscylosko-

pu. Wiêkszoœæ wspó³czesnych oscylosko-

pów cyfrowych ma mo¿liwoœci dokonania

szerokiej analizy sygna³ów. Konstruowane

s¹ równie¿ przyrz¹dy specjalizowane do

konkretnych zastosowañ (np. do badania

elementów du¿ej mocy, sygna³ów optycz-

nych, analizy jitteru).

Jednym z istotnych elementów analizy jest

okreœlanie parametrów impulsów, takich jak

czasy narastania, opadania i trwania, prze-

rzuty, wartoœci szczytowe, miêdzyszczyto-

we, minimalne, maksymalne, œrednie i sku-

teczne, czêstotliwoœæ i okres. Ponadto zasto-

sowanie kursorów umo¿liwia rêczne doko-

nywanie pomiarów. Dziêki wbudowanym

funkcjom matematycznym u¿ytkownik mo-

¿e pomin¹æ etap obliczeñ i uzyskaæ gotowy

wynik np. moc na podstawie pomiaru pr¹du

i napiêcia.

Oscyloskop cyfrowy umo¿liwia oszaco-

wanie zmiany parametrów sygna³ów przez

zapamiêtywanie wartoœci maksymalnych

i minimalnych np. amplitudy, czy po³o¿enia

zbocza. Funkcja persistence po-

legaj¹ca na pamiêtaniu na ekra-

nie ostatnich n przebiegów (war-

toœæ n jest wybierana przez u¿yt-

kownika) umo¿liwia ponadto

oszacowanie, jak czêsto te eks-

trema wystêpuj¹. Na rys.6

przedstawiono ekran oscylosko-

pu podczas testowania ³¹cza

optycznego z wykorzystaniem

funkcji persistence. Widoczny

w œrodku ekranu szeœciok¹t sta-

nowi maskê, przez któr¹ nie po-

winien przechodziæ ¿aden sy-

gna³. Nak³adanie siê na ekranie

kolejnych przebiegów umo¿liwia

stwierdzenie, czy ten warunek

jest spe³niony.

Zmiana dziedziny obserwacji przebiegu

z czasowej na czêstotliwoœciow¹ odbywa siê

za pomoc¹ szybkiej transformaty Fouriera

(FFT). U¿ytecznoœæ tej funkcji jest znaczna,

gdy¿ nie wszystkie cechy sygna³u jest ³atwo

zaobserwowaæ w dziedzinie czasu. Techni-

kê tê stosuje siê np. do obserwacji sk³ado-

wych widma sygna³ów stosowanych w ko-

munikacji lub monitorowania stabilnoœci ge-

neratorów.

Wyniki omówionych wy¿ej operacji matema-

tycznych mog¹ byæ pamiêtane i stanowiæ

podstawê statystycznej analizy sygna³u. Ta-

ka analiza mo¿e dostarczyæ informacji

o trendach zmian pewnych parametrów lub

w postaci histogramu przedstawiæ rozrzut

tych parametrów.

Testowanie automatyczne

Oscyloskopy cyfrowe s¹ wyposa¿one w in-

terfejs pomiarowy GPIB (IEE488), co pozwa-

la na automatyzacjê pomiarów i wykorzysta-

nie przyrz¹du do celów automatycznego

testowania. Niektóre oscyloskopy maj¹ rów-

nie¿ interfejs do sieci Ethernet. Zewnêtrzny

komputer mo¿e zarówno sterowaæ wykony-

waniem pomiarów, jak i analizowaæ otrzyma-

ne z oscyloskopu dane. Podzia³ zadañ jest

tu zale¿ny od mo¿liwoœci oscyloskopu.

Pamiêæ sygna³ów i nastaw

Niektóre oscyloskopy cyfrowe maj¹ wbu-

dowan¹ pamiêæ masow¹ do przechowy-

wania i odtwarzania zarejestrowanych prze-

biegów, a tak¿e konfiguracji pomiarowej

(nastaw). Ta pamiêæ mo¿e byæ równie¿ wy-

korzystana do bezpoœredniego nagrywa-

nia aktualnie mierzonych danych. Stoso-

wanymi pamiêciami s¹ zwykle dyskietki,

karty pamiêci RAM lub twarde dyski. Format

zapisu jest kompatybilny ze stosowanym

w systemie DOS. Dlatego te¿ producenci

oscyloskopów opracowuj¹ czêsto programy

umo¿liwiaj¹ce odtwarzanie i analizowanie

zarejestrowanych przebiegów na standardo-

wych komputerach PC. Do rejestracji mie-

rzonych przebiegów mo¿na równie¿ stoso-

waæ interfejsy GPIB oraz Ethernet.

n

Opracowa³ Mieczys³aw Krêciejewski

L I T E R A T U R A

LeCroy: Test and Measurement Product Catalog, 2001

Dziêkujemy firmie Elsinco, przedstawicielowi fir-

my LeCroy za udostêpnienie materia³ów i udzie-

lenie zgody na reprodukcjê ilustracji.

r

MIERNICTWO

16

Radioelektronik Audio-HiFi-Video 1/2002

Rys. 6. Tryb persistence zastosowany do badania, czy sygna³

spe³nia zadane warunki, tzn. nie pojawia siê w obszarze maski