CC BY
117Владимир ДЬЯКОНОВ, д. т. н., профессор
китайские осциллографы
преодолели барьер в 1 нс
Барьер времени нарастания сигналов в 1 нс давно считается чуть ли не магическим, поскольку требует от разработчиков импульсных генераторов и осциллографов больших усилий по его преодолению. В мире десятки компаний успешно производят самолеты и вертолеты, но цифровые осциллографы, преодолевшие этот барьер, до сих пор выпускали фирмы, для перечисления которых вполне хватит пальцев одной руки. И из них наиболее известны Agilent Technologies, Tektronix и LeCroy. Они давно перешли этот барьер, создав специализированные сверхскоростные интегральные схемы для построения цифровых осциллографов. Но, как правило, это очень дорогие приборы, и их наличием могут похвалиться далеко не все лаборатории мира. Однако совсем недавно этот барьер — 1 нс — успешно преодолели китайские цифровые осциллографы.
Между временем нарастания переходной характеристики осциллографа ^ и его верхней частотой полосы пропускания ^ существует довольно простая связь, которая описывается формулой:
= 0,35//в.
Таким образом, для преодоления барьера ^ в 1 нс осциллограф должен иметь аналоговую верхнюю полосу !в = 350 МГц. Большинство массовых (в том числе бюджетных) осциллографов имели эту частоту не выше 200 МГц [1-3]. Учитывая, что у всех современных осциллографов нижняя частота полосы равна нулю, можно говорить просто о полосе частот осциллографа.
Для получения больших значений ^ надо иметь большие частоты дискретизации.
Согласно теореме об отсчетах, известной у нас как теорема Котельникова, частота выборок сигнала должна не менее чем в 2 раза превышать fj. Практически это превышение должно составлять до 5-10 раз, что реализуется чаще всего у осциллографов компании Tektronix. Например, у приборов DPO 4101 с полосой частот каждого из 4 каналов до 1 ГГц частота выборок составляет 5 ГГц. При хорошем интерполяторе сигналов это позволяет корректно наблюдать форму сигнала с временем нарастания до 0,4 нс.
Следует сразу сказать, что в подавляющем большинстве применений вполне достаточна полоса частот осциллографа в десятки МГц. Она обеспечивает наблюдение сигналов в радиочастотном диапазоне, вплоть до диапазона коротких волн. Однако в последние пару десятилетий интенсивно развивается
применение высоких и даже сверхвысоких частот, завершается освоение наносекундно-го диапазона времени нарастания импульсных сигналов и бурно развивается техника контроля сигналов субнаносекундного диапазона времен.
Китайские производители электронного и измерительного оборудования давно и прочно заняли обширную нишу производства массовых измерительных приборов с рабочими частотами до 200 МГц и частотами выборки до 1 ГГц. Например, широкую известность получила компания Good Will Instrument Co., Ltd., основанная в 1975 году. Ныне она обладает тремя заводами, расположенными на территории Тайваня, Малайзии и КНР, а также пятью представительскими офисами за пределами Тайваня — в США, Японии, Малайзии и два офиса в КНР. Компания широко известна в России как производитель стационарных контрольно-измерительных приборов общего назначения под торговой маркой GW Instek. Она выпускает аналоговые и цифровые осциллографы (рис. 1), анализаторы спектра, универсальные вольтметры, RLC-измерители, источники питания, генераторы, частотомеры, измерители параметров безопасности электрооборудования и многие другие измерительные приборы.
В состав выпускаемых приборов входит несколько серий довольно дешевых цифровых осциллографов с полосой до 200 МГц. Они широко представлены на мировом рынке и рынке осциллографов в России. В период мирового кризиса китайские компании предприняли довольно успешные попытки «оторвать часть пирога» — мирового рынка осциллографов. Так, компания Good Will выпустила новую, вполне современную серию
И ш
Рис. 3. Осциллограммы на экране осциллографов серии GDS-73000:
а) в режиме монохромного изображения;
б) в режиме цветного изображения;
в) участок осциллограммы телевизионного изображения со вспышкой цветовой поднесущей;
г) широкий фрагмент телевизионного сигнала
цифровых осциллографов GDS-73000, в составе которой появились приборы с полосой в 350 и 500 МГц, преодолевшие барьер времени нарастания в 1 нс. Внешний вид приборов показан на рис. 2.
Приборы имеют удобный и простой интерфейс, основанный на кнопочном управлении. Его вид напоминает вид интерфейса осциллографов младших серий компании Agilent Technologies. Выпускаются приборы следующих типов: GDS-73152, GDS-73154, GDS-73252, GDS-73254, GDS-73352, GDS-73354, GDS-73502 и GDS-73504.
Они имеют следующие основные характеристики:
• Количество каналов: 2 и 4.
• Полоса пропускания:
150, 250, 350 и 500 МГц (8 моделей).
• Максимальная частота дискретизации: 5 ГГц (эквивалентная 100 ГГц).
• Входное сопротивление:
1 М0м/50 Ом/75 Ом.
• Коэффициент отклонения по вертикали: от 2 мВ/дел. до 1 В/дел. при низкоомном входе и до 5 В/дел. при высокоомном входе (шаг 1, 2, 5).
• Объем памяти: 25К на канал.
• Коэффициент отклонения по горизонтали: от 1 нс/дел. до 50 с/дел. (шаг 1, 2, 5).
• Двойная развертка: основная и задержанная.
• Режимы развертки: ждущий, автоколебательный, однократный, а также телевизионный (NTSC, PAL, SECAM).
• Режимы работы АЦП: выборка, пиковый детектор (2 нс и более), усреднение (от 2 до 256 осциллограмм).
• Измерения: курсорные, 27 видов автоматических измерений.
• Функций математики: сложение, вычитание, умножение, частотный анализ (БПФ).
• Память: 24 осциллограммы, 20 профилей настроек.
• Выход калибратора.
• Интерфейсы: USB 2.0 (для управления и сохранения), RSR-232, LAN, опция GPIB.
• Подключение внешнего монитора: VGA-выход.
• Функция «Разделенный экран» и предварительный просмотр осциллограмм в файловой системе.
• Вывод данных на печать (поддержка PictBridge).
• 20-см цветной SVGA TFT-дисплей с регулируемой яркостью и разрешением 800x600.
• Габариты 400x200x139 мм, масса 4 кг.
• Русифицированное меню.
• 3 года гарантии.
Цветной дисплей осциллографов позволяет в монохромном и цветном режимах отображать обычные осциллограммы, в том числе достаточно сложных сигналов, например телевизионных (рис. 3). Кстати, именно для наблюдения телевизионных сигналов предусмотрена установка значения входного сопротивления, равного 75 Ом. Память осциллограмм у этих осциллографов небольшая, так что они не очень приспособлены для анализа сложных сигналов, например паттернов. Стоимость 350-Гц моделей — около 200 000 рублей.
Неплохо у приборов решена задача автоматизации измерений. Предусмотрено проведение до 27 автоматических измерений с удобной установкой их с помощью меню и специального окна (рис. 4).
Рис. 4. Экран осциллографа GDS-73000 с установками автоматических измерений
Рис. 5. Экран осциллографа GDS-73000 с результатами автоматических измерений
Вывод результатов автоматических измерений реализован также удобно (рис. 5). Обратите внимание, что окно вывода результатов измерений сделано полупрозрачным: через него можно наблюдать осциллограммы, заслоненные окном. Масштабная сетка экрана стандартная и содержит 10x6 делений.
Помимо обычных математических операций с сигналами каналов осциллограф обеспечивает построение спектров с использованием алгоритма оконного быстрого преобразования Фурье (БПФ) (рис. 6). Правда, возможен выбор одного из всего четырех типов окон: Ханнинга, Хамминга, прямоугольного и Блэкмана. Как видно на рис. 6, спектр отображается довольно грубо (Tektronix DPO 4101 делает это заметно лучше, но и стоит он намного дороже [4]).
Рис. 6. Экран осциллографа GDS-73000 в режиме отображения осциллограммы прямоугольных импульсов и построения их спектра
Рис. 7. Экран осциллографа GDS-73OOO в режиме XY
Осциллографы этой серии имеют и неплохо реализованный режим XY (рис. 7), при котором сигналы подаются на входы канала Y и канала X. Если они синусоидальные, строится эллипс. В общем, в этом режиме обычно строятся фигуры Лиссажу.
В целом осциллографы этой серии — это приборы умеренной стоимости для получения и изучения сигналов не слишком сложных форм.
11 ноября 2009 года в центральном офисе компании Rigol Technologies прошла конференция, на которой была представлена новая серия осциллографов DS6000 этой молодой и преуспевающей китайской компании. Ее приборы (рис. 8) имеют полосы частот в 600 МГц и даже 1 ГГц. Таким образом, они достигли не только 1-нс барьера по времени нарастания переходной характеристики, но и 1-Гц частотного барьера и впервые стали конкурентами цифровых осциллографов среднего класса фирм Agilent, LeCroy и Tektronix.
Все модели осциллографов Rigol DS6000 имеют USB-разъем на передней панели для подключения внешних накопителей, а на задней панели расположены два USB-порта для управления от ПК или для подключения принтера, разъем интерфейса LXI класса C и VGA-выход.
Несмотря на высокие технические характеристики и возможности, осциллографы серии DS6000 имеют небольшие габаритные размеры: 400x255x124 мм, а их вес — всего около 4 кг. Питание осциллографов серии DS6000 может осуществляться как от сети переменного тока 110/220 В, так и при помощи батарейного питания — встроенной аккумуляторной батареи, которая поставляется опционально.
В таблице представлены данные осциллографов этой серии.
Все модели имеют глубину памяти до 140 млн точек. Для сравнения отметим, что у лучших осциллографов закрытой архитектуры компании Tekronix DPO 4000 она составляет «всего» 10 млн точек. Так что Rigol успешно воспользовалась резким снижением стоимости микросхем памяти в последние годы и не пожалела применить их в памяти осциллограмм большого объема. Чувствительность по вертикали — от 1 мВ/дел. до 5 В/дел. Скорость выборки 5 Гвыб/с характерна для работы с одним каналом и падает вдвое при работе с двумя каналами.
В приборах Rigol применена новая инновационная технология UltraVision и система
Рис. 8. Внешний вид осциллографа серии Rigol DS6000:
а) спереди; б) сзади
поиска особенностей в длинных осциллограммах WaveFinder. Скорость записи осциллограмм в память достигает 180 000 кадров/с, с последующим их воспроизведением и анализом со скоростью до 120 000 кадров/с.
Яркий 10,1-дюймовый экран осциллографов WVGA-типа с разрешением 800x600 точек при 256 градациях цвета имеет светодиодную (LED) подсветку и дает четкое отображение осциллограмм и их аномалий (глюков) (рис. 9). Любопытно, что масштабная сетка имеет 14 делений по горизонтали против обычных 10. Учитывая вытянутость дисплея по горизонтали, это обеспечивает более удобное наблюдение осциллограмм с повышенной зоной обзора. Экран имеет достаточно большую полезную площадь: она на 40% больше, чем у большинства осциллографов такого класса.
Осциллографы Rigol серии DS6000 имеют режим персистенции — запоминания осциллограмм на заданное время. К сожалению, он реализован в монохромном режиме, но позволяет наблюдать «живые» осциллограммы. На рис. 10 показана осциллограмма сложного телевизионного сигнала в режиме персистен-ции (имитации аналогового послесвечения).
Рис. 9. Отображение перепада сигнала с глюком на экране осциллографа Rigol серии DS6000
Таблица. Основные характеристики осциллографов серии DS6OOO
Модель DS6062 DS6064 DS6102 DS6104
Полоса частот 6OO МГц 1 ГГц
Число каналов 2 1 4 2 1 4
Скорость выборки (max) 5 Гвыб/c
Память осциллограмм 14O млн точек
Рис. 10. Осциллограмма телевизионного сигнала в режиме персистенции
Пока осциллографы Rigol серии DS6000 не относятся к осциллографам смешанных сигналов, хотя таковые наверняка появятся в ближайшее время. Но приборы серии DS6000 позволяют достаточно качественно наблюдать цифровые сигналы (рис. 11).
Рис. 11. Осциллограммы цифровых сигналов с различных шин
Все осциллографы серии Rigol DS6000 имеют расширенную систему синхронизации. Она позволяет производить запуск не только по ставшим уже стандартными для осциллографов Rigol серий 1000В, 1000D и 1000E условиям, таким как Edge, Video, Pulse Width, Pattern, Slew rate, Durations, но и имеет дополнительные возможности по синхронизации и декодированию потоков данных в различных шинах широкого применения: I2C, SPI, RS-232/UART, USB, FlexRay и CAN.
Разработчики из фирмы Rigol неплохо изучили цифровые осциллографы ведущих фирм, взяв из них лучшие возможности. Например, от осциллографов Tektronix
Рис. 12. Применение средства WaveFinder
для просмотра части сигнала
закрытой архитектуры [4] заимствовано средство WaveInspector, правда, названное немного иначе — WaveFinder (рис. 12). Но дело не в названии, а в сути: это средство на уровне интерфейса организовано в виде двойной поворотной ручки, позволяющей перемещать область просмотра длинного кадра осциллограммы по его длине, менять размеры области просмотра и устанавливать метки на нужных особенностях сигнала. WaveFinder — это вполне современная лупа времени.
Еще одно средство также похоже на применяемое в осциллографах Tektronix закрытой архитектуры: это редактор математических выражений (рис. 13). В набираемое в нем выражение можно включать сигналы каналов CH1-CH4, арифметические операторы, математические функции и результаты автоматических вычислений. График заданного
Рис. 13. Применение редактора математических выражений
Рис. 14. Применение маски для оценки положения осциллограммы
математического выражения строится как расчетная осциллограмма.
Из интересных особенностей осциллографов можно отметить возможность применения в каналах вертикального отклонения системы цифровых фильтров: нижних и верхних частот, режекторного и полосового фильтров. Это позволяет ослаблять или вырезать некоторые виды помех и наводок и повысить качество отображения зашумленных сигналов.
Предусмотрена и оценка нахождения осциллограмм в заданной зоне, задаваемой маской. Маску можно задавать и перемещением осциллограммы (рис. 14). Маски позволяют осуществлять пороговый контроль сигналов.
Осциллографы имеют различные дополнительные опции: пробники [5], стойки, USB-GPIB адаптер и др. Пробники поставляются двух типов: пассивный RP5600 с коэффициентом делений 10 и полосой частот до 600 МГц и активный дифференциальный RP7150 с полосой частот до 1,5 ГГц.
Разработчики новых осциллографов часто относят их к высшему классу High-End и к бюджетным моделям. Обе эти оценки носят рекламный характер и весьма неточны. На общем мировом уровне осциллографов новые китайские приборы относятся к среднему классу. Они стоят несколько дешевле, чем осциллографы такого класса ведущих фирм, но вряд ли эту стоимость можно отнести к бюджетной: например, стартовая цена приборов DS6000 составляет около $7400 (по данным [6]). ■
Литература
1. Дьяконов В. П. Современная осциллография и осциллографы. М.: СОЛОН-Пресс, 2005.
2. Афонский А. А., Дьяконов В. П. Измерительные приборы и массовые электронные измерения. М.: СОЛОН-Пресс, 2007.
3. Дьяконов В. Цифровые запоминающие осциллографы среднего класса // Ремонт и сервис, 2006.
4. Дьяконов В. П. Осциллографы фирмы Tektronix закрытой архитектуры // Компоненты и технологии. 2009. № 12. 2010. № 1.
5. Афонский А. А., Дьяконов В. П. Современные осциллографические пробники и их грамотное применение // Контрольно-измерительные системы и приборы. 2007. № 5-6. 2008. № 2.
6. http://www.rigolna.com/products/digital-oscilloscopes/
