VitalyMorarenko

Глубина памяти осциллографа – когда больше не всегда лучше

Blog Post created by VitalyMorarenko Employee on Dec 15, 2016

Представление о том, что такое глубина памяти осциллографа, часто бывает неверным. На самом деле, многие пользователи даже не знают, какова память их осциллографа. В этой статье мы обсудим, что представляет собой память осциллографа, почему она важна, а также преимущества и допускаемые компромиссы использования памяти в осциллографах с различной архитектурой. Также читатели узнают, что не все области памяти одинаковы.

 

Какова глубина памяти вашего настольного осциллографа? Затрудняетесь ответить? Не расстраивайтесь, большинство людей тоже этого не знают. Но вы уверены в том, что чем больше глубина памяти, тем лучше, не так ли? Как и в большинстве случаев, ответ не столь прост, как кажется.

 

Давайте начнем с того, что попытаемся понять, что такое память захвата осциллографа и насколько важен этот параметр. В простейшем случае на входной каскад поступает аналоговый сигнал, а затем в аналого-цифровом преобразователе 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.

 

Как мы уже говорили раньше, чем глубже память осциллографа, тем он лучше, не так ли? В идеальном случае ответ будет «да». Но давайте сравним два осциллографа с аналогичными характеристиками, за исключением величины глубины памяти. У одного осциллографа полоса пропускания 1 ГГц, частота дискретизации 5 Гвыб/с и возможность сохранения в памяти захвата 4 000 000 выборок (мы назовем это "Архитектура MegaZoom"). Другой осциллограф обеспечивает полосу пропускания 1 ГГц, частоту дискретизации 5 Гвыб/с и память захвата на 20 000 000 выборок (назовем это "Архитектура на основе центрального процессора (ЦП)"). В таблице 1 приведены данные о настройках скорости развертки и частоте дискретизации. Есть простая формула для расчета требуемой частоты дискретизации при заданной скорости развертки и определенного объема памяти (для 10 делений на экране и без сигналов, захваченных вне развертки экрана):

 

Глубина памяти / ((установленная скорость развертки) * 10 делений) = частота дискретизации (до максимально возможного значения частоты дискретизации АЦП).

 

Например, при скорости развертки 160 мкс/дел и максимальной глубине памяти 4 000 000 выборок получаем: 4 000 000 / ((160 мкс/дел. * 10 делений) = 2,5 Гвыб/с.

 

Таблица 1. Частота дискретизации для двух идентичных осциллографов

с различной глубиной памяти при стандартных значениях скоростей развертки.

 

 

4 млн. выборок

20 млн. Выборок

10

нс/дел.

5 Гвыб/с

5 Гвыб/с

20

нс/дел

5 Гвыб/с

5 Гвыб/с

40

нс/дел

5 Гвыб/с

5 Гвыб/с

100

нс/дел

5 Гвыб/с

5 Гвыб/с

200

нс/дел

5 Гвыб/с

5 Гвыб/с

400

нс/дел

5 Гвыб/с

5 Гвыб/с

1

мкс/дел.

5 Гвыб/с

5 Гвыб/с

2

мкс/дел.

5 Гвыб/с

5 Гвыб/с

4

мкс/дел.

5 Гвыб/с

5 Гвыб/с

10

мкс/дел.

5 Гвыб/с

5 Гвыб/с

20

мкс/дел.

5 Гвыб/с

5 Гвыб/с

40

мкс/дел.

5 Гвыб/с

5 Гвыб/с

100

мкс/дел.

4 Гвыб/с

5 Гвыб/с

200

мкс/дел.

2 Гвыб/с

5 Гвыб/с

400

мкс/дел.

1 Гвыб/с

5 Гвыб/с

800

мкс/дел.

500 Мвыб/с

2,5 Гвыб/с

2

мс/дел.

200 Мвыб/с

1 Гвыб/с

4

мс/дел.

100 Мвыб/с

500 Мвыб/с

8

мс/дел.

50 Мвыб/с

250 Мвыб/с

20

мс/дел.

20 Мвыб/с

100 Мвыб/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 10 000 выборок (10 квыб) вплоть до 2 000 000 000 (2 Гвыб).

 

Понятно, что глубокая память полезна, когда речь идет о высокой частоте дискретизации, но когда она не является преимуществом? Когда она замедляет работу осциллографа до такой степени, что уже не помогает решать проблемы при отладке схем? Глубокая память – это большая нагрузка на систему. Некоторые осциллографы, будучи настроенными на быстрый захват сигналов и высокую скорость обновления сигналов на экране, продолжают быстро реагировать на управление; другие осциллографы обладают высокими 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. Давайте вновь обратимся к тем же двум осциллографам. При 20 нс/дел (высокая скорость развертки) оба осциллографа позволяют реализовать свои максимально возможные скорости обновления. И ни один из осциллографов не задействует всю свою память, значение которой указано в техническом описании. Но что происходит в случае более медленных скоростей развертки, например, 400 нс/дел? Осциллограф с архитектурой MegaZoom автоматически задействует больше памяти для того, чтобы сохранить максимально возможную частоту дискретизации – осциллограф будет вести себя так же, как и следовало ожидать от прибора с глубокой памятью (он будет поддерживать 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 возросло время реакции осциллографа на управление, и не сможет при этом поддерживать такую же высокую частоту дискретизации, да и скорость обновления может снизиться. Что произойдет, если мы будем регулировать глубину памяти для сохранения высокого значения частоты дискретизации? Мы начинаем замечать, 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. Причём она становится еще ниже для более медленных скоростей развертки (например, при 4 мкс/дел скорость обновления осциллографа с MegaZoom в 20 раз выше, чем у осциллографа на основе ЦП).


Табл. 2. Сравнение скорости обновления, частоты дискретизации и глубины памяти.

 

Архитектура MegaZoom

Архитектура на основе ЦП

Скорость развертки

Частота дискретизации

Скорость обновления

Глубина памяти

Частота дискретизации

Скорость обновления

Глубина памяти

20 нс/дел

5 Гвыб/с

860 000 осц./с

Авторегулировка

5 Гвыб/с

72 000 осц./с

10 квыб

400 нс/дел

5 Гвыб/с

75 000 осц./с

Авторегулировка

2,5 Гвыб/с

64 000 осц./с

10 квыб

400 нс/дел

5 Гвыб/с

75 000 осц./с

Авторегулировка

5 Гвыб/с

20 000 осц./с

100 квыб

4 мкс/дел

5 Гвыб/с

8 000 осц./с

Авторегулировка

5 Гвыб/с

400 осц./с

1 Мвыб

 

Что же отличает один осциллограф, оптимизированный по глубине памяти, от другого, который имеет фиксированную настройку используемой памяти 10 квыб, чтобы сохранить быструю реакцию на управление? В основном это связано с архитектурой осциллографа. В некоторых осциллографах используется центральный процессор общего назначения («архитектура на основе ЦП»), и от степени его адаптации для данной задачи зависит, насколько быстро осциллограф может обрабатывать информацию и отображать ее на экране. Если ЦП не способен решать задачи управления глубиной памяти при регистрации захваченных сигналов, то он будет замедлять процесс обработки и отображения данных, тем самым снижая скорость обновления сигналов (иногда существенно). На рис. 1 представлен пример такой архитектуры.

 

Рис. 1. Структурная схема осциллографа на основе ЦП, демонстрирующая каким образом ЦП ограничивает полноценную регистрацию сигналов.

 

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 сосредоточиться на том, для чего он предназначен – на отображении сигналов. На рис. 2 показан пример этой инновационной архитектуры, используемой в осциллографах DSO серии 3000 X компании Keysight. В них применяется специализированная ИС (названная MegaZoom IV), позволяющая обеспечить высокую скорость обновления при максимально возможных глубине памяти и частоте дискретизации.

 

Рис. 2. Архитектура MegaZoom со специализированной ИС, управляющей выводом на дисплей сигналов из памяти захвата

 

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, но не все цифровые каналы реализованы одинаково. Включение цифровых каналов в архитектуру на основе ЦП, которую мы обсуждали выше, вызовет на самом деле такое замедление работы осциллографа, что скорость обновления никогда не будет выше 135 осциллограмм в секунду, независимо от глубины памяти или скорости развертки. Это на несколько порядков медленнее, чем максимальная скорость обновления, указываемая производителем. Почему это происходит? Опять же, это связано с архитектурой осциллографа. Как видно из рис. 1, 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 (рис. 2) цифровые каналы являются неотъемлемой частью специализированной ИС, которая выполняет формирование изображения развертки сигналов для всех каналах. Архитектура MegaZoom позволяет не замедлять работу осциллографа при подключении цифровых каналов. Другие общие функции, такие как интерполяция Sinx/x, также могут настолько замедлить работу приборов на основе ЦП, что вы увидите катастрофическое снижение скорости обновления при изменении настроек скорости развертки в зависимости от того, подключен или отключен фильтр Sinx/x в осциллографе. Архитектура MegaZoom не страдает от этой проблемы.

 

Низкая скорость отклика осциллографа на управление является еще одним недостатком систем на основе ЦП. Вы когда-нибудь переключали скорость развертки на осциллографе с большой глубиной памяти и ждали, когда она установится? Или пытались вернуть прежнюю настройку только потому, что осциллограф медленно реагирует, и вы случайно проскочили нужное значение параметра? 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 осциллографа на управление.

 

До сих пор мы обсуждали режимы, в которых осциллограф работает и используется, например, для отладки. Но если вы просто хотите взглянуть на сигнал, захваченный за один цикл выборки, то большой объем памяти снова лучше, не так ли? Для отображения такого сигнала вам не требуется высокая скорость обновления, а скорость реакции осциллографа на управление должна быть лучше, чем в случае, когда идет непрерывный захват и отображение. Опять же, это, казалось бы, логичное заключение в некоторых случаях действительно верно. Но что, если вы рассматриваете сигнал, представляющий собой пакеты данных с большими временными промежутками между ними (такой как импульс РЛС или кадры/пакеты данных последовательных шин)? В осциллографах без оптимизации глубины памяти вы должны использовать все, что хранится в памяти выборок: и то, что захвачено во время паузы между пакетами, и сам пакет данных. Это не самое лучшее использование памяти, так как вам, наверное, нужны только пакеты. В некоторых осциллографах предусмотрена функция, называемая «сегментированной» памятью. Сегментированная память позволяет оцифровывать только ту часть сигнала, которая вам нужна, так что вы можете использовать память более эффективно.

 


Рис. 3. Два разнесенных во времени ВЧ импульса. Обратите внимание на низкое значение частоты дискретизации, обусловленное тем, что осциллограф обрабатывает сигнал и во время прохождения импульсов, и во время паузы.


Давайте рассмотрим пример, где сегментированная память может дать преимущество. На рис. 3 можно увидеть два пакета радиолокационных сигналов, разделенных длительной паузой. В осциллографах без оптимизации глубины памяти оцифровываются и пакеты, и сигнал между ними. Как показано на рис. 3, 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 мы захотим захватить 100 импульсов? Частота дискретизации снизится до значения менее 10 Мвыб/с, и импульсы больше нельзя будет идентифицировать, потому что они будут расположены далеко за пределами выборки. Если мы хотим захватить эти 100 импульсов и все время паузы между ними при частоте дискретизации 5 Гвыб/с, то нам понадобится осциллограф с памятью на 2,5 Гвыб (2 500 000 000). Сегодня на рынке нет осциллографов с такой глубиной памяти. В случае сегментированной памяти можно оцифровать только ту область, которая нас интересует (сам пакет) и игнорировать время паузы между пакетами. На рис. 4 представлен первый из 100 ВЧ пакетов, захваченных с помощью сегментированной памяти. Обратите внимание на то, что частота дискретизации составила 5 Гвыб/с и каждый сегмент имеет метку времени, чтобы вы знали, какой момент времени относительно начального пуска рассматривается. На рис. 5 показан 100-й пакет и его метка времени (396,001 мс). Осциллограф позволяет перемещаться между сегментами и анализировать их (в том числе декодировать пакеты в каждом сегменте, если вы используете сегментированную память для анализа сигнала последовательной шины).

 

Рис. 4. Первый из 100 ВЧ пакетов, захваченных с помощью сегментированной памяти. Обратите внимание на то, что частота дискретизации равна 5 Гвыб/с.

Рис. 5. Последний, 100-й пакет из захваченных с помощью сегментированной памяти. Обратите внимание на частоту дискретизации (5 Гвыб/с) и метку времени (396,001 мс).

 

В конце концов, часто приходится убеждаться в том, что высокие характеристики, которые производитель указывает в техническом описании прибора, вовсе не являются его преимуществом. Хотя приведенное в техническом описании большое значение памяти захвата может выглядеть очень заманчивым, следует подумать о том, как вы будете использовать осциллограф. В некоторых случаях самая глубокая память действительно будет лучшим выбором. Но во многих случаях осциллограф, оптимизирующий глубину памяти, будет лучшим вариантом и не разочарует вас своей медлительностью или нестабильной работой.

Outcomes