CC BY
87Окончание. Начало в № 2 2010
Владимир ДьЯкОнОВ, д. т. н., профессор
vpdyak@yandex.ru
Осциллографы фирмы Tektronix
открытой архитектуры
Спектральный анализ в TDS 5000
К числу часто используемых математических операций относится преобразование Фурье. В осциллографах TDS 5000 реализовано оконное быстрое преобразование Фурье (БПФ). Доступ к его средствам имеется в позиции Math главного меню. Для получения обычного спектра сигнала в каком-либо канале достаточно получить осциллограмму нескольких периодов сигнала и выполнить команду Magnitude Spectrum («Спектр магнитуды»). На рис. 16 показана спектрограмма магнитуды для прямоугольных импульсов. Команда Spectral Setup... выводит панель меню установок спектрального анализа, в которой можно выбрать источники сигнала, установить масштаб спектрограммы и выполнить иные операции. Команда Phase Spectrum выводит кривую фазового спектра.
№ t» ї-И'* hmum -, Цт Огтг■ Hâ^r. *ih juif Lt-ь
Рис. 16. Пример получения спектра прямоугольных импульсов
Разрешение спектрального анализа по умолчанию (без тонких настроек), к сожалению, невысокое. В этом нетрудно убедиться, просматривая спектр амплитудно-модулированных сигналов (рис. 17). Такой спектр теоретически имеет три четко различающиеся линии — несущей частоты и двух боковых частот, отстоящих от несущей на значение частоты модуляции. Как видно на рис. 16, четкого выделения боковых частот нет. Для изменения разрешающей способности спектрального анализа можно воспользоваться тем или иным окном. Список из семи возможных окон в открытом виде показан на рис. 17.
Разрешение спектрального анализа можно существенно улучшить настройками центральной частоты Center Freq, полосы обзора спектра FreqSpan и полосы спектральных пиков Res BW. Возможна также установка опорного уровня Ref Level. Эти установки соответствуют применяемым в современных цифровых анализаторах спектра радиодиапазона. Панель настроек спектра и пример анализа спектра треугольного сигнала представлены на рис. 18.
Замечательна возможность построения фазочастотных характеристик (ФЧХ) спектра, отсутствующая у осциллографов с закрытой архитектурой, например серии DPO/MSO 4000. Наблюдаемые вертикальные линии скачков фазы можно убрать, установив параметр Upwrap со значением On. Анализ ФЧХ существенно повышает возможности осциллографа в исследовании сигналов.
Резкий рост возможностей спектрального анализа достигается интеграцией с осциллографом систем компьютерной математики Mathcad, Mathematica, MATLAB и др. [10]. Они устраняют ограничения по числу используемых окон и значительно расширяют число используемых методов спектрального анализа. Наличие у осциллографов TDS 5000 собственного жесткого диска позволяет устанавливать такие программы и обеспечивать их реальную интеграцию с осциллографом. Ряд специальных программ по анализу спектра, джиттера, энергетических параметров сигналов и т. д. поставляются к осциллографам в виде опций.
!> [.к W pu» ¡ттг. Sah FW L4Í1- L*"b
Рис. 17. Пример просмотра спектра амплитудно-модулированных сигналов
ИШс NJ "■ і
Іде? асе* ілім : ± !
1 I С 'WjkJ ! і л '-н*|смц
'llr-ífiíp Вес 1 *- ri ■ и ^ Id nill'l« Jp~Í Ctrflti Fifr|
D ’ 1CCZË* T 1-S»£
Sa nij! Rjti G*í* Pti Fitq Spiii
5*pplllUO(l ІЯ МЛ j К S4rij
ГЬІІііППІіі гЖ*:В В и і «lien Ї3.(д fïplf Pur ï :-p. o
Рінміїіап ■..KÍ L fflflib Hei Irrt
і 1-е РЯ ’
Рис. 18. Панель настроек спектрального анализа и пример его проведения для треугольного сигнала
Рис. 20. Окно Save As записи содержимого экрана
Режим XY в TDS 5000
Ахиллесовой пятой цифровых осциллографов является режим XY, при котором сигнал одного канала отклоняет точку на экране по вертикали, а другой — по горизонтали. Обычно осциллограмма в таком режиме цифровыми осциллографами строится медленно и получается точечной. Однако в TDS 5000 эта проблема решена, и возможно получение вполне качественных осциллограмм. В качестве примера приведем фигуру Лиссажу, которая показана на рис. 19, для случая кратности частот сигналов, равной 2. Команду перехода в режим XY можно найти в позиции Display основного меню. Нетрудно заметить, что и в данном случае реализован режим цифрового фосфора.
Сохранение осциллограмм и настроек прибора
Часто в практике серьезной работы с осциллографами возникает необходимость в распечатке осциллограмм и полных копий экрана принтером, а также записи их в память, в том числе на внешнюю флэш-память. Для этих операций служит кнопка PRINT. Обычно она запрограммирована на печать осциллограмм принтером. Но ее можно перепрограммировать на сохранение графических копий экрана. В меню File (рис. 4) для записи осциллограмм служат команды Save и Save As (рис. 20). Возможно задание ряда популярных графических форматов для записи осциллограмм и копий экрана в файлы. Замечательно, что при снятии копии экрана кнопкой PRINT в копиях отображаются открытые подменю главного меню. Наконец, нельзя не отметить полезную возможность записи настроек осциллографа.
В заключение надо отметить, что возможности осциллографов серии TDS 5000 резко расширяются при использовании поставляе-
мых аппаратных и особенно программных опций. Руководство по программированию осциллографов [3] насчитывает 917 страниц в формате PDF. Осциллографы оттестированы с рядом математических программ, таких как Excel, Mathcad и MATLAB. Это открывает новые возможности в эффективной обработке сигналов, например с целью получения трехмерных и иных спектрограмм. Осциллографы могут подключаться к локальным сетям и Интернету, дистанционно управляться от них и работать по заданной программе.
Осциллографы Tektronix TDS 6000
Все возможности осциллографов серии 5000 (кроме средств цифрового фосфора) перешли к более поздним моделям серии TDS 6000. Серия скоростных осциллографов TDS 6000 отличается следующими основными характеристиками:
• Полоса частот —
15 ГГц (TDS6154C), 12 ГГц (TDS6124C),
8 ГГц (TDS6804B), 6 ГГц (TDS6604B).
• Время нарастания — до 19 пс на уровнях 20-80% (28 пс на уровнях 10-90%) для осциллографа TDS6154C.
• Скорость выборки 40 Гвыб/c на два канала и 20 Гвыб/с на все четыре канала с интерполяционным разрешением 500 фс.
• Память — до 64 Мвыб на два канала, до 32 Мвыб на все четыре канала с функцией MultiView Zoom для быстрой навигации.
• Система синхронизации Pinpoint, имеющая более чем 1400 комбинаций виртуального адреса и любых ситуаций захвата.
• Последовательный захват по маске — до 3,125 Гвыб/c.
• Протокол синхронизации 8b/10b.
• Анализ на соответствие стандартам пакетов последовательных данных со скоростями 6,25 Гвыб/c и выше.
• Программное обеспечение OpenChoice с платформой Windows XP OS представляет встроенные возможности высокоскоростного анализа и многопользовательского доступа.
• Специальное технологическое программное обеспечение предоставляет решения для анализа коммуникационных потоков, измерения и анализа, джиттера, Ethernet, DVI, USB2.0, определения характеристик мощности сигналов.
• Встроенный двухпроцессорный компьютер (процессоры 2,8 ГГц Pentium 4 и 583 МГц PowerPC).
• Дисплей высокого разрешения XGA (30 см по диагонали), возможность подключения внешнего дисплея, CD-R/W на передней панели, порт USB 2.0 (в том числе на передней панели), порт 1000 BaseT сети.
• Встроенные сетевые возможности.
• Обширный набор прикладных программ.
• Возможность совместной работы с программами компьютерной математики (Excell, Mathcad и MATLAB).
• Возможность полного программного управления, управления по сети и через Интернет. Это довольно дорогие широкополосные
приборы, и их серийный выпуск прекращен. В частности, из-за отсутствия в них средств цифрового фосфора, которые фирма Tektronix считает необходимыми во всех своих осциллографах. Приборы заменяются новыми сериями TDS/DPO 7000/70000.
Осциллографы Tektronix TDS/DPO 7000
Осциллографы серии DPO/TDS 7000 [3] — это новейшие массовые приборы открытой архитектуры. Внешний вид приборов показан на рис. 21. Старшие модели имеют полосу частот до 3,5 ГГц [4, 5]. TSA 7000 — это анализаторы телекоммуникационных сигналов с расширенным программным обес-
^ 51 "fl "й |1 3 ’¡ЦІ ¡’i
Рис. 21. Внешний вид осциллографа DPO 7000
печением. Выпуск этих приборов с полосой частот до 7 ГГц прекращен.
Основные особенности осциллографов серии DPO 7000 следующие:
• Полоса пропускания от 500 МГц до 3,5 ГГц (были модели с полосой до 4 и 7 ГГц, но их выпуск прекращен в связи появлением серии 70000).
• Высокая скорость захвата осциллограмм — до 400 000 в секунду.
• Частота дискретизации в режиме реального времени до 40 ГГц.
• Память до 200 Мбайт (с опциями).
• Измерения джиттера до 1 пс RMS.
• Изменяемый графический пользовательский интерфейс.
• Управление с помощью кнопок, мышки и сенсорного дисплея.
• Операционная система MS Windows XP.
• Встроенные сетевые возможности.
• Обширный набор прикладных программ.
• Возможность совместной работы с программами компьютерной математики (Excell, Mathcad и MATLAB).
• Возможность полного программного управления, управления по сети и через Интернет.
Основные параметры ныне выпускаемой серии осциллографов DPO/TDS/CSA 7000 представлены в таблице 2. Видно, что по поло-
Таблица 2. Основные параметры осциллографов серии
Полоса пропускания, МГц Частота дискретизации, Гвыб/c Память на канал, Мбайт
DPO 7054 4 500 5/10/2 50/100/200
DPO 7104 4 1000 10/20/40 50/100/200
DPO 7254B 4 2500 10/20/40 100/200/400
DPO 7354B 4 3500 10/20/40 100/200/400
се пропускания вертикального тракта и максимальной частоте дискретизации новая серия приборов намного превосходит серию TDS 5000. Это, однако, почти не влияет на принципы работы и применения осциллографов.
Благодаря относительно умеренным габаритам (277x465x426 мм) осциллографы DPO 7000 совместно с подключаемым к ним большим жидкостно-кристаллическим дисплеем и многофункциональным генератором произвольных сигналов и функций позволяют на обычном столе организовать на базе двух приборов целую лабораторию, заменяющую более десятка различных приборов (в том числе и мощный персональный компьютер).
Осциллографы построены на платформе персонального компьютера с операционной системой Windows XP (вместо Windows Professional и Windows ME). Войти на рабочий стол операционной системы можно, выполнив команду Minimize в подменю File. Сразу отметим, что компьютер осциллографа, как и приборов серии TDS 5000, имеет накопители на жестком и гибком диске, а также записывающий CD-RW. На задней и левой боковой стенках корпуса осциллографа можно найти обычные для компьютера порты, в том числе USB для подключения модуля флэш-памяти. Возможна инсталляция многих Windows-приложений, например, систем компьютерной математики Excell, MATLAB, Mathcad и др., и даже проигрывателей и рекордеров звуковых и видеофайлов.
Работа с приборами этой серии практически не отличается от работы с осциллографами се-
рии 5000. Аппаратный интерфейс у них практически одинаков, а графический интерфейс пользователя стал еще более понятным и удобным. Например, на рис. 22 показана установка параметров тракта вертикального отклонения для канала CH1 осциллографа с помощью панелей, представленных под осциллограммами. Масштаб по вертикали можно установить в пределах от 1 мВ/дел. до 10 В/дел.
Первая проблема, с которой сталкиваются пользователи широкополосных цифровых осциллографов, — это сильное искажение осциллограмм шумами. На рис. 22 показан экран осциллографа с тремя осциллограммами сигналов, полученных от двухканального генератора произвольных функций AFG3252. На всех трех осциллограммах отчетливо просматриваются шумы.
Как и у осциллографов TDS 5000, вид осциллограмм задается режимом сбора данных Acquisition. Так, осциллограммы на рис. 22 построены в режиме сбора Sample, который принят по умолчанию и обеспечивает наиболее быструю реакцию осциллографа на изменение сигнала и наличие в нем шума. Информацию о выбранном режиме дает крайнее правое табло на экране осциллографа, размещенное под осциллограммами.
Наиболее эффективным режимом резкого подавления шумов, как обычно, является режим усреднения Average, при котором усреднение производится по заданному числу осциллограмм (рис. 23). В данном случае использовано усреднение по 16 осциллограммам. Естественно, что усреднение ведет к увеличению времени реакции осциллограмм на изменение сигнала. Высокое разрешение при умеренном увеличении времени реакции позволяет нередко получить режим Hi Res с усреднением осциллограмм в пределах окна данных.
Для обнаружения выбросов и иных аномалий (в том числе шумов) служат режимы построения осциллограмм с применением пико-
вого детектора Pk Detect и построения осциллограмм по огибающей сигнала Envelope (рис. 24). Нетрудно заметить, что осциллограммы при этом строятся линией большой ширины, отражающей все шумы, выбросы и нестабильности сигнала. Однако, если сигнал чистый, то линии будут тонкими.
В режиме WfmDB при выводе осциллограмм используется цифровая люминесценция. При этом яркость и цвет «сечения» осциллограмм определяется частотой повторения точек. В центре «сечения» частота максимальна, и внутренняя область осциллограмм окрашивается в ярко-красный цвет (рис. 25). В нижней части экрана на этом рисунке представлена панель установки режимов Acquisition. Этот режим часто используется для анализа джиттера и отображения телекоммуникационных сигналов в виде глазковых диаграмм.
Новая система синхронизации и запуска развертки, получившая название Pinpoint, обеспечивает уникально большое число (более 1400) вариантов запуска и синхрониза-
ции. Разумеется, в рамках журнальной статьи невозможно отобразить все многообразие видов запуска и синхронизации. Однако надо отметить, что для всех видов синхронизации она легко и интуитивно понятно реализуется с помощью соответствующих панелей. На рис. 26 показана такая панель, в которой установлен самый распространенный вид запуска — по нарастанию сигнала (пример дан для синусоиды). Масштаб развертки по горизонтали может изменяться в очень широких пределах — от 25 пс/дел до 1000 с/дел (для модели DPO 7254), что позволяет исследовать как субнаносекундные импульсы, так и сверхнизкочастотные сигналы.
После получения устойчивых осциллограмм возникает необходимость в измерении представленных ими параметров сигналов. Средства измерения аналогичны уже описанным: по масштабной сетке, с применением курсоров и автоматические вычисления. Возможности автоматических измерений у осциллографов DPO 7000B существенно расширены. По сравнению с приборами се-
рии DPO 4000 с закрытой архитектурой их число возросло более чем вдвое — с 25 до 53. Для задания автоматических измерений служит панель Measurement Setup. На рис. 27 показан пример задания амплитудных измерений с помощью вкладки Ampl этой панели. В правой части вкладки формируется список запрограммированных измерений.
С помощью других вкладок можно задать временные (Time), прочие (More), статистические (Histog) и коммуникационные (Comm) измерения. В панели Source можно выбрать источник сигналов — канал Ch, сигнал после математической операции Math или опорную осциллограмму Ref. Для них выполняются заданные автоматические измерения.
Существенно расширены возможности измерения статистических параметров. Стало возможным отображение гистограмм (рис. 28), где гистограмма видна в верхней части экрана. Кроме того, основные статистические данные каждого измерения (минимум, максимум, среднеквадратическое
Рис. 28. Пример вывода результатов автоматических вычислений
Рис. 30. Пример построения спектра прямоугольных импульсов
(внизу показана панель установки параметров расширенного спектрального анализа)
-Н
Рис. 29. Пример построения спектра треугольных импульсов (внизу показана панель установки параметров спектрального анализа)
Рис. 31. Пример спектрального анализа амплитудно-модулированного сигнала
отклонение и др.) отображаются в строке результатов измерения.
С сигналами одного или двух каналов можно осуществлять различные математические операции — начиная от суммирования сигналов каналов и кончая вычислениями тригонометрических и иных функций. Активизируя кнопку More в меню математических операций, можно вызвать функции дифференцирования, интегрирования, логарифмирования и т. д. сигналов. Эти возможности аналогичны уже описанным для осциллографов серии TDS 5000.
В осциллографах DPO 7000B реализовано и оконное быстрое преобразование Фурье (БПФ) по улучшенным алгоритмам, позволяющим получить достаточно близкие к теоретическому виды спектров. Возможен выбор окна из семи окон. На рис. 29 показано построение спектра треугольных импульсов. Хорошо видно, что спектр содержит только нечетные гармоники, амплитуда которых
убывает с номером к как 1/к. Правда, линии спектра имеют далеко не идеальный вид отрезков прямых: это пики конечной ширины, отсчитываемой на уровне спада уровня в 3 дБ относительно амплитуды. Их форма определяется выбранным типом окна.
На рис. 29 показана панель установки параметров стандартного спектрального анализа. В левой части основной панели спектрального анализа Spectral Setup-Basic осуществляется выбор источника сигнала: один из каналов, опорная осциллограмма или результат математической операции. Возможно построение амплитудного спектра (кнопка Magnitude) или фазового (кнопка Phase). Таким образом, обеспечивается получение данных комплексного спектра сигналов. График спектрального пика поясняет выбор полосы частот спектрального анализа, центральной частоты и частотного разрешения. В правой части панели можно задать характер построения спектра — с линейным
или логарифмическим масштабом (по мощности или по напряжению).
Панель расширенного спектрального анализа (на рис. 30 снизу) дает еще больше возможностей в установке его параметров. В частности, имеется возможность выбора типа окна спектрального анализа (одного из семи возможных), который во многом обеспечивает получение необходимого вида спектра, приемлемого частотного разрешения и достаточной степени подавления шумов. На рис. 30 показан пример построения спектра прямоугольных импульсов, по форме близких к меандру. В данном случае спектр больше насыщен высшими гармониками.
Хорошим тестом на проведение спектрального анализа является построение спектра амплитудно-модулированного сигнала. Такой спектр состоит из трех спектральных линий — несущей частоты и двух линий боковых частот, отстоящих от нее на величину частоты модуляции. Полноценный спектр
при низких частотах модуляции получить не удается, так как разрешающая способность спектрального анализа у цифровых осциллографов (и даже у программных анализаторов спектра) недостаточна. Тем не менее, при достаточно высоких частотах модуляции у DPO 7000 это удается (рис. 31). Здесь построен спектр сигнала с несущей частотой 2 МГц и частотой модуляции 50 кГц при модуляции в 100%. Наличие боковых частот наблюдается достаточно отчетливо. Разрешающая способность спектра может быть значительно повышена увеличением числа отсчетов (точек) анализируемой осциллограммы.
В осциллографе DPO 7000 возможен режим XY. Он неплохо отработан и позволяет создавать осциллограмму, например, фигуру Лиссажу, на всей площади экрана без заметных задержек. Возможности осциллографов серии DPO 7000 резко расширяются при использовании поставляемых аппаратных и программных опций. Осциллографы оттестированы с рядом математических программ, таких как Excel, Mathcad и MATLAB. Это открывает новые возможности в эффективной обработке сигналов, например с целью получения трехмерных и иных спектрограмм.
Все возможности осциллографов серии DPO 7000 сохранены в новейшей серии осциллографов и анализаторов сигналов DPO/DSA 70000 [7]. Эти, к сожалению, очень дорогие приборы имеют полосу частот 4, 6, 8, 12,5,
16 и 20 ГГц (6 моделей DPO и еще 6 моделей DSA). Частота дискретизации первых трех моделей — 25 Гвыб/c, остальных — до 50 Гвыб/c. Длина записей в стандартной поставке составляет 10 Мбайт для моделей DPO и 20 Мбайт для DSA, опционально ее значение может быть увеличено до 100 Мбайт в каждом канале. Приборы имеют джиттер запуска менее 1 пс и минимальный шумовой джиттер 426 фс (RMS). Осциллографы DSA 70000 оснащены расширенным программным обеспечением для анализа телекоммуникационных сигналов и джиттера. Закупки этих уникальных приборов в России носят единичный характер. Интерфейс и внешний вид приборов этой серии подобен приведенному для DPO/DSA 7000.
Итак, нетрудно заметить, что компания Tektronix провела обширную работу по унификации своих осциллографов открытой архитектуры. Все приборы компании имеют идентичную конструкцию, внешний вид и интерфейс, а также общее для них программное обеспечение. Модели отличаются полосой частот, габаритами и массой. В заключение надо отметить, что к приборам с открытой архитектурой относятся также стробоскопические осциллографы-анализаторы Tektronix DSA 8200. Эти осциллографы с полосой исследуемых частот до 80 ГГц применяются, в основном, в качестве цифровых последовательных анализаторов сверхширо-кополосных сигналов. ■
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 электронной техники. 2006. № 8.
4. Шумский И. А. Основные направления развития современной осциллографии: «гонка» новых технологий на гигагерцовой дистанции // Контрольно-измерительные приборы и системы. 2003. № 5.
5. Шумский И. А. 7 ГГц в реальном времени — новый рекорд в обновленной версии TDS 7000B // Контрольно-измерительные приборы и системы. 2004. № 1.
6. Афонский А. А. Осциллограф на вырост // Контрольно-измерительные приборы и системы. 2009. № 1.
7. XYZs of Oscilloscopes: www.tektronix.com
8. ABCs of Probes. Tektronix: www.tektronix.com
9. Афонский А. А., Дьяконов В. П. Современные осциллографические пробники и их грамотное применение // Контрольно-измерительные системы и приборы. 2007. № 5-6. 2008. № 2.
10. Дьяконов В. П. Современные методы Фурье- и вейвлет-анализа и синтеза сигналов // Контрольно-измерительные приборы и системы. 2009. № 2.
