VitalyMorarenko

Скорость обновления сигналов на экране осциллографа действительно имеет значение

Blog Post created by VitalyMorarenko Employee on Oct 8, 2016

Основной целью использования большинства осциллографов начального и среднего классов в процессе исследований и разработок является тестирование и отладка новых устройств. Другими словами, необходимо найти и устранить нарушения целостности сигнала до отправки устройства заказчику. Самой сложной проблемой является обнаружение редких случайных аномалий сигнала, то есть аномалий, о которых Вы знать не знаете и не ожидаете. К сожалению, поиск редких событий, например, кратковременных импульсных помех (глитчей), зачастую похож на поиск иголки в стоге сена.

 

Решая задачу захвата редких быстрых событий с помощью осциллографа, инженеры часто принимают во внимание только заявляемые производителем (т.н. баннерные) характеристики осциллографов: полосу пропускания, частоту дискретизации и глубину памяти. Вместе с тем, есть еще одна, не менее важная, характеристика — скорость обновления сигналов на экране.

 

Большинство инженеров согласятся с тем, что важнейшей характеристикой цифрового запоминающего осциллографа является полоса пропускания в реальном времени. Этот параметр относится к аналоговой характеристике входных каскадов осциллографа, а также она должна быть обеспечена и цифровой характеристикой, отвечающей за уровень временной детализации (частота дискретизации), с которой осциллограф захватывает сигналы в каждом цикле сбора данных. 

 

Другой характеристикой осциллографа, которую многие инженеры считают важной, является глубина (или объем) памяти. От глубины памяти зависит максимальная длительность сигнала, которую осциллограф может захватить с заданной частотой дискретизации. Чем больше объем памяти, тем выше вероятность захвата редкого случайного события. Но хотя осциллограф с глубокой памятью и способен уловить редкую аномалию сигнала, как вы сможете об этом узнать? Если настройки горизонтальной развёртки осциллографа позволяют наблюдать весь захваченный сигнал, это было бы похоже на то, как человек, стоя задом к стогу сена, надеется обнаружить иголку в самой его середине. Если же настроить развертку для детального отображения узких и быстрых событий, то нежелательные аномалии сигнала могут оказаться за пределами экрана и, таким образом, снова быть невидимыми. Если использовать приведенную выше аналогию, то это будет похоже на исследование с помощью увеличительного стекла одного небольшого участка стога. Но где же иголка? По определению, случайное и редкое событие может произойти в любой момент и может проявиться в любом виде. Вы просто можете не знать, где и что именно нужно искать.

 

Большой объем памяти, безусловно, важен, и может быть востребован в некоторых специфических и уникальных приложениях при решении определенных измерительных задач. Однако глубокая память вряд ли поможет в обнаружении редких аномалий сигнала в разрабатываемом устройстве. На самом деле, использование большого объема памяти в осциллографе для выявления случайных событий часто может быть помехой из-за снижения производительности в осциллографах с традиционной архитектурой. Захват большего объема данных требует большего времени для сбора и обработки сигналов.

 

Для захвата случайных и редких событий следующей важнейшей характеристикой осциллографа после полосы пропускания в реальном времени является скорость обновления сигналов на экране. Чем выше скорость обновления сигналов, тем выше вероятность того, что осциллограф сможет захватить и отобразить редкую аномалию. Чтобы понять важность высокой скорости обновления сигналов, нужно знать о такой свойственной всем осциллографам характеристике, как «мертвое время» (dead-time).

 

«Мертвое время» — это время, которое требуется осциллографу для обработки данных, полученных в процессе предшествующего захвата, с целью отображения осциллограммы, которая фактически состоит из последовательности выборок. Чем выше у осциллографа скорость обновления сигналов на экране, тем меньше у него величина мертвого времени.

 

Рис. 1. Аномалии сигнала, которые появляются в период мертвого времени осциллографа, не захватываются и не отображаются на дисплее

 

 

Рисунок 1 иллюстрирует понятие мертвого времени осциллографа. В этом примере две импульсные помехи появляются в период мертвого времени осциллографа и не отображаются на дисплее после двух циклов сбора данных. Во многих случаях продолжительность мертвого времени осциллографа может во много раз превышать длительность отображаемого на дисплее сигнала. Допустим, к примеру, что мы используем осциллограф со скоростью обновления сигналов 1000 осциллограмм в секунду. Это означает, что осциллограммы на экране обновляются 1 раз в миллисекунду, что на первый взгляд может показаться вполне достаточной величиной. Однако если коэффициент развёртки осциллографа составляет 10 нс/дел. (т.е. 100 нс на весь экран), это значит, что мертвое время осциллографа в 10 000 раз превышает длительность захваченного и отображаемого сигнала. Появится случайная аномалия в период захвата или нет — это вопрос статистической вероятности. При этом вероятность появления глитча в период мертвого времени в 10 000 раз выше, чем вероятность его попадания на экран. Таким образом, для повышения вероятности захвата редких аномалий сигнала необходимо сократить продолжительность мертвого времени осциллографа и увеличить скорость обновления сигналов на экране.

 

Рис. 2. При скорости обновления сигналов на экране 1 000 000 осциллограмм в секунду обеспечивается быстрый захват глитча с частотой появления 1 раз на миллион

 

 

Благодаря технологии MegaZoom четвертого поколения осциллографы Keysight InfiniiVision 3000T и 4000 серии X имеют самую высокую в отрасли скорость обновления сигналов на экране и, соответственно, самую малую величину мертвого времени. Осциллографы этой серии обеспечивают обновление сигналов со скоростью 1 000 000 осциллограмм в секунду. На рисунке 2 показан пример захвата с помощью осциллографа серии 4000 X очень редкой аномалии сигнала (импульсной помехи) при запуске по нарастающему перепаду входного тактового сигнала. Этот специфический глитч появляется всего один раз на миллион циклов тактового сигнала. При скорости обновления 1 000 000 осциллограмм в секунду осциллограф способен захватывать и отображать эту помеху в среднем один раз в секунду.

 

Осциллограф со скоростью обновления 50 000 осциллограмм в секунду, который многие инженеры полагают достаточно быстрым, смог бы показывать этот глитч в среднем всего один раз за 20 секунд. Если бы пользователь проводил анализ этого цифрового сигнала с помощью осциллографа, имеющего скорость обновления 50 000 осциллограмм в секунду, он бы быстро убедился, что исследуемый сигнал имеет надлежащую амплитуду и длительность перепада, и перешел бы к тестированию сигналов в другой точке еще до того, как осциллограф смог бы захватить и отобразить глитч, появляющийся с частотой 1 раз на миллион.

 

Некоторые пользователи могут возразить, что многие современные осциллографы имеют усовершенствованные режимы запуска по нарушениям сигнала, например, по длительности импульса, времени нарастания/спада или по вырожденному импульсу, которые могут использоваться для однозначного запуска по проблемным сигналам. Но как узнать, когда нужно использовать один из этих режимов, если осциллограф не обнаруживает редкие аномалии? Ведь для использования усовершенствованных режимов запуска осциллографа требуется знать хоть что-нибудь об этом проблемном сигнале.

 

Рис. 3. Осциллограф с высокой скоростью обновления сигналов на экране позволяет обнаружить редкий немонотонный перепад

 

 

На рисунке 3 показан другой пример редкой аномалии сигнала. В этом примере осциллограф Keysight серии 4000 X, имеющий скорость обновления сигналов на экране 1 000 000 осциллограмм в секунду, позволяет выявить редко появляющийся немонотонный перепад. Такие редкие события обычно проявляются в виде мерцающей осциллограммы или в виде так называемого «фантомного» сигнала, запуск по которым чрезвычайно затруднен. Осциллографы с низкой скоростью обновления сигналов, скорее всего, не смогут выявить и отобразить такую аномалию (невидимый «фантом»).

 

Рис. 4. Функция запуска InfiniiScan Zone Trigger позволяет выделить сигнал с немонотонным перепадом

 

После того, как «фантом» был выявлен, его необходимо изолировать. Как уже было упомянуто выше, запуск по таким редким событиям возможен, однако настройка такого режима запуска без должного опыта работы с осциллографами представляет определенную сложность. Но благодаря имеющейся в осциллографах серии 4000 X инновационной функции запуска InfiniiScan Zone Trigger для решения этой задачи достаточно просто нарисовать на емкостном сенсорном дисплее прямоугольник (зону) в районе аномалии (рис. 4). Теперь, когда осциллограф синхронизирован для отображения только «фантомных» сигналов, вы можете начать исследование других сигналов в устройстве с использованием второго или третьего канала осциллографа для поиска взаимосвязей и причин неполадки, и таким образом «разрушить фантом».

 

Заключение

Хотя значение полосы пропускания в реальном времени практически всегда будет главным критерием при выборе осциллографа для отладки электронных устройств, скорость обновления сигналов на экране также будет одним из важнейших параметров, поскольку она характеризует способность осциллографа выявлять редкие случайные события. Осциллографы Keysight серии InfiniiVision 4000 X обеспечивают обновление сигналов со скоростью 1 000 000 осциллограмм в секунду, что делает их лучшими для «поиска иголки в стоге сена» при исследовании аномалий сигналов. А затем, получив возможность наблюдать редкое событие, вы можете выделить проблемный сигнал с помощью функции запуска InfiniiScan Zone Trigger, просто нарисовав прямоугольник в районе аномалии. И если высокая скорость обновления сигналов на экране осциллографа помогает выявлять дефекты сигнала, то функция InfiniiScan Zone Trigger позволяет затем быстро и просто осуществлять по ним запуск. 

Outcomes