CC BY
51Компоненты и технологии, № 3'2003
Texi
гии
Цифровые осциллографы
компании GOOD WILL Instek
В марте 2003 года копания GOOD WILL Instek закончила разработку новой серии цифровых осциллографов, и начиная с апреля этого года они могут быть доступны для российских пользователей.
Александр Дедюхин
е-
В связи с отказом от производства аналоговых осциллографов таких компаний, как Tektronix и Agilent Technologies, а также в связи с после-кризисными финансовыми трудностями производителей аналогичных средств измерения в Корее, компания GOOD WILL Instek заняла прочное первое место в мире по производству аналоговых осциллографов с полосой пропускания до 200 МГц. Эти осциллографы пользуются большой популярностью, в том числе и в России — цены на них иногда гораздо ниже, чем на отечественные аналоги, их отличает высокая надежность, отличный технический дизайн, а кроме того, они включены в реестр средств измерения РФ.
Естественно, конструкторы компании GOOD WILL Instek, занимающиеся разработкой осциллографов, не могли обойти вниманием такое важное направление, как разработка цифровых запоминающих осциллографов. Три года назад был выпущен осциллограф GDS-830, это была смелая попытка догнать 100-мегагерцовую двухсотую серию осциллографов Tektronix. Цель была достигнута, и на рынке средств измерения появился осциллограф с полосой пропускания 100 МГц, дискретизацией 100 МГц (для однократного сигнала), с 25 гигавыборками в секунду для периодических сигналов и с памятью 125 кбайт. Главное, чего старались добиться конструкторы GOOD WILL Instek — более низкая цена по сравнению с главными конкурентами при сохранении основных технических характеристик. Вторая цель — сделать осциллограф максимально дополненным, т. е. в основную комплектацию включались все возможные дополнительные возможности: интерфейс RS-232, принтерный порт, порт внешнего монитора, программное обеспечение. И в качестве опции дополнительно поставлялся только интерфейс GPIB. Осциллограф, на мой взгляд, обладал только одним недостатком — в качестве монитора была использована монохромная ЭЛТ зеленого свечения. Хотя и это на любителя — Agilent Technologies до сих пор в своих осциллографах 54-й серии использует монохромную ЭЛТ.
Следующим шагом конструкторов компании GOOD WILL Instek стала разработка малогабаритного осциллографа с ЖК-дисплеем (как с черно-белым, так и с цветным экраном) с полосой пропускания 150 и 250 МГц. Основной целью стала попытка
предложить рынку средств измерения модели, способные конкурировать по цене и возможностям с новыми моделями осциллографов серий 1000 и 2000 компании Tektronix.
В настоящий момент предлагаются следующие новые модели цифровых осциллографов компании GOOD WILL Instek:
GDS-820 (полоса пропускания 150 МГц, дискретизация 100 Мвыб/с, эквивалентная дискретизация 25 Гвыб/с, длина памяти 125 кбайт, дисплей чернобелый, без возможности подключения к ПК).
GDS-820S (полоса пропускания 150 МГц, дискретизация 100 Мвыб/с, эквивалентная дискретизация 25 Гвыб/с, длина памяти 125 кбайт, дисплей чернобелый, в штатной комплектации интерфейсы RS-232, USB, LPT; дополнительно — интерфейс GPIB).
GDS-820C (полоса пропускания 150 МГц, дискретизация 100 Мвыб/с, эквивалентная дискретизация 25 Гвыб/с, длина памяти 125 кбайт, дисплей цветной, в штатной комплектации интерфейсы RS-232, USB, LPT; дополнительно — интерфейс GPIB).
GDS-840 (полоса пропускания 250 МГц, дискретизация 100 Мвыб/с, эквивалентная дискретизация 25 Гвыб/с, длина памяти 125 кбайт, дисплей чернобелый, без возможности подключения к ПК).
GDS-840S (полоса пропускания 250 МГц, дискретизация 100 Мвыб/с, эквивалентная дискретизация 25 Гвыб/с, длина памяти 125 кбайт, дисплей чернобелый, в штатной комплектации интерфейсы RS-232, USB, LPT; дополнительно — интерфейс GPIB).
GDS-840C (полоса пропускания 250 МГц, дискретизация 100 Мвыб/с, эквивалентная дискретизация 25 Гвыб/с, длина памяти 125 кбайт, дисплей цветной,
Компоненты и технологии, № 3'2003
в штатной комплектации интерфейсы RS-232, USB, LPT; дополнительно — интерфейс GPIB).
Для более подробного анализа достоинств и недостатков цифровых осциллографов, указанных выше, разъяснения основных технических характеристик цифровых осциллографов и сравнения их с ближайшими конкурентами — осциллографами Tektronix серий 1000 и 2000, обратимся немного к теории.
Основным параметром любого осциллографа является полоса пропускания — частота, при которой амплитуда входного сигнала, поддерживаемая стабильной по уровню, уменьшится на экране осциллографа на 3 дБ (или до уровня 0,7 от начальной амплитуды).
Второстепенным параметром, связанным с полосой пропускания, является время нарастания — это время, в течение которого по экрану осциллографа импульс с абсолютно крутым фронтом изменяется от уровня 0,1 до уровня 0,9. Полоса пропускания связана со временем нарастания формулой:
Тнар-
350
П.П.
где:
Тнар — время нарастания, нс;
П.П.— полоса пропускания осциллографа, МГц.
Очевидно, что чем больше полоса пропускания и меньше время нарастания, тем лучше — тем большей частоты сигнал можно наблюдать на экране осциллографа без искажения.
Tektronix предлагает осциллографы с полосой пропускания 60, 100 и 200 МГц, GOOD WILL Instek — 150 и 250 МГц. Цифры говорят сами за себя. В дальнейшем, как близкие по ТТД, будем сравнивать осциллографы 150 МГц GW Instek и 100 МГц Tektronix; 250 МГц GW Instek и 200 МГц Tektronix.
Основным недостатком всех цифровых осциллографов является то, что они работают не в реальном масштабе времени. Что это означает? На рис. 2 приведен схематический рисунок отображения сигнала аналоговым осциллографом, цветное поле обозначает область рисунка, отображаемую на экране (кадр).
Задержка между кадрами составляет время обратного хода луча и регулируемую временную задержку запуска развертки для получения стабильной синхронизации. Это время достаточно мало по сравнению со временем развертки, и поэтому, если сигнал от кадра к кадру изменяется, это изменение немедленно отображается на экране — это и есть отображение сигнала в реальном времени. Динамика сигнала как по вертикали, так и по горизонтали соответствует изменениям входного сигнала.
Цифровой осциллограф использует другой принцип: входной сигнал (в размере выбранного кадра), пройдя все входные усилители и аттенюаторы, поступает на АЦП, где преобразуется в цифровую форму, и далее поступает во внутреннюю память для дальнейшей обработки (привязки к развертке, выводу на экран, измерения параметров и т. д.). Время этой обработки достаточно велико по сравнению со временем кадра, задержка при выводе на экран получается достаточно большая, часть информации об изменении сигнала между кадрами теряется бесследно (рис. 3). Это и есть отображение входного сигнала не в реальном масштабе времени — главный недостаток всех цифровых осциллографов. Его можно попытаться сгладить, но избежать нельзя!
Итак, первое искажение сигнала возникает при дискретизации входного сигнала в АЦП. Чаще всего в цифровых осциллографах используются 8-разрядные АЦП — это 256 отсчетов по амплитуде, что вполне достаточно для исследования сигнала. Тут GW Instek и Tektronix идут в ногу — 8-разрядное АЦП и ни бита больше!
Но как этот сигнал записывается в АЦП? Тут пути разных производителей расходятся. Самый простой способ — выбрать как можно большую частоту дискретизации (исходя из соображений целесообразности и полосы пропускания) и записать их в память. Такая дискретизация с жестко установленным временем между точками дискретизации называется периодической (или регулярной) и используется в осциллографах Tektronix (1 ГГц
для 100 МГц осциллографов). Недостатком такого способа является то, что информация между точками дискретизации теряется безвозвратно, несмотря на высокую скорость дискретизации (рис. 4 и 5) и объем внутренней памяти, в которой происходит дальнейшая обработка, ограничен (но об этом немного ниже). Достоинство — простота и, самое главное, возможность исследовать однократные сигналы с той же достоверностью, что и периодические.
GW Instek в своих моделях использует другой способ дискретизации входного сигнала — нерегулярную дискретизацию. Дискретизация входного сигнала происходит с частотой 100 Мвыб/с, причем за каждый период развертки точки дискретизации выбираются хаотически и повторные попадания в ранее выбранные точки исключаются. За количество N периодов развертки на периодическом сигнале не остается точек, не подвергшихся дискретизации, включая мелкие детали (рис. 6 и 7). Достоинством такого способа является воз-
Точка запуска
Входной сигнал
1 -й ЦИКЛ
дискретизации
2-й цикл дискретизации
3-й цикл дискретизации
Рис. 4
г •.........• •
^щпппппшшлпплпплппл
^дшппппшшлпплпплш
^щіппппіишллплллпш
Входной сигнал
1-й ЦИКЛ
дискретизации
2-й цикл дискретизации
3-й цикл дискретизации
14-й цикл дискретизации
Рис. 6
-T\-J
il________________П
. ATI.
_л
AT2ft
л_
■AT3fl-
_П__________П_______П_______п *атп>п
е
Компоненты и технологии, № З'200З
можность использовать «длинную» память и большая достоверность воспроизведения периодических сигналов. Недостаток — возможность исследования однократных сигналов только с частотой до 16 МГц (необходимо, как минимум, 6 точек для отображения сигнала при частоте входного сигнала 150 МГц).
Как уже было сказано выше, основным недостатком цифровых осциллографов является потеря части полезного сигнала во время его обработки. Рис. 8 еще раз демонстрирует этот недостаток. Часть сигнала, отображаемого на экране, выделена окном, отчетливо показан кусок сигнала, который никогда не будет виден пользователю.
Возможно ли устранить этот недостаток? А что, если попробовать как бы растянуть окно, в котором отображается сигнал, на гораздо большую площадь сигнала (рис. 9).
Очевидно, что чем больше внутренняя память, тем более «длинную» часть входного сигнала она позволяет записать и, соответственно, исследовать ее без потерь полезной информации. Экран осциллографа физически не становится длиннее, его размер остается прежним. Сигнал, отображенный на рис. 9, на самом деле сжат по временной оси, но, записав сигнал во внутреннюю память, имеется возможность растянуть его в тысячи (!) раз и после этого исследовать все его участки, просто перемещая по оси времени. Чем больше объем внутренней памяти, тем более длинный кусок сигнала можно в него записать и исследовать без потерь информации. Это и есть разъяснение термина «длина памяти». Осциллографы GW Instek используют длину памяти 125 кбайт, в то время как осциллографы Tektronix всего 2,5 кбайт. Осциллограммы сигнала сложной формы, зафик-
Таблица1
сированные осциллографами GDS-820 и ТБ8-1012 и потом растянутые в 1000 раз, показаны на рис. 10 и 11. Осциллограф GDS-820 сигнал отображает без потерь, в то время как на экране осциллографа TDS-1012 сигнал превращается в массив бессвязных точек, из которых невозможно понять, каким был исходный сигнал.
Наличие «длинной» памяти и возможность изменения ее длины дает возможность манипуляции скоростью дискретизации в широких пределах, особенно при исследовании сигнала в диапазоне времени развертки до 200 мкс. При уменьшении времени развертки объем памяти автоматически сокращается. Наличие большого объема внутренней памяти и применение передовых принципов обработки сигнала дает возможность получить эквивалентную частоту дискретизации периодических сигналов до 25 Гвыб/с.
GW GDS-820/840 Tektronix TDS1002/2002 Tektronix TDS1012/2012 Tektronix TDS2022
Дисплей ЧБ/цветной (32Gx24G) б,7" ЖКИ ЧБ/цветной (32Gx24G) б,7" ЖКИ ЧБ/цветной (32Gx24G) б,7" ЖКИ ЧБ/цветной (320x240) 5,7" ЖКИ
Полоса пропускания 16G/26G МГц 6G МГц 2G МГц при б мВ/2 мВ 1GG МГц 2G МГц при б мВ/2 мВ 200 МГц 20 МГц при 5 мВ/2 мВ
Скорость дискретизации 1GG Мв/с, 2б Гв/с 1 Гв/с 1 Гв/с 2 Гв/с
Длина памяти, кбайт/канал 12б 2,б 2,б 2,5
Память профилей 1б б б 5
Память осциллограмм 2 2 2 2
Видов измерений 1б 11 11 11
Частотомер есть есть есть есть
Мат. обработка +, -, БПФ +, -, БПФ +, -, БПФ +, -, БПФ
Время развертки от 1 нс до 1G с от б нс до 6G с от б нс до 6G с от 2.5 нс до 50 с
Задержка запуска развертки по событию и времени есть нет нет нет
Запуск развертки по длительности импульса есть есть есть есть
Выделение ТВ-строк есть есть есть есть
Режим обучения; допусковый контроль есть нет нет нет
USB / RS232 / LPT есть опция (TDS2CMA) опция (TDS2CMA) опция (ТР32СМЛ)
Средняя цена, руб.* 5G44G 832G6
* Приведены цены для осциллографов 150 МГц GW Instek и осциллографов 100 МГц Tektronix.
Все модели с цветным дисплеем. Цена является средней по России и может отличаться от указанной в зависимости от поставщика. Для осциллографов Tektronix цена указана с программным обеспечением WSTRO и модулем TDS2CMA, поскольку эти возможности включены в комплектацию GW Instek.
Компоненты и технологии, № 3'2003
Таблица 2
Таблица 3
Характеристики Параметры Значения
Полоса пропускания (-3 дБ) 0...150 МГц Ограничение полосы пропускания - до 20 МГц
Коэфф. отклонения (Котел.) 2 мВ/дел.5 В/дел (шаг 1-2-5)
Погрешность установки Коткл. ±3%
Канал вертикального отклонения Время нарастания <2,3 нс
Входной импеданс 1 МОм (±2%)/22 пФ
Макс. входное напряжение 300 В (DC+AC пик, до 1 кГц)
Режимы работы Канал 1, канал 2, канал 1 (2) инвертированный, канал 1 и 2
Математика Кан 1 + Кан 2; Кан 1 - Кан 2; БПФ
Канал Коэфф. развертки (К^) 1 нс/дел.10 с/дел (шаг 1-2-5)
горизонтального Погрешность установки К^,. ±0,01%
отклонения Режимы работы Основной, окно, ZOOM окна, самописец, X-Y
Источники синхросигнала Канал 1, канал 2, сеть, внешний
Режимы запуска развертки Автоколебательный, ждущий, однократный, ТВ, пред- (20 дел.) и послезапуск (1000 дел), по времени (100 нс.1,3 мс), по событию (2.65000), по фронту, по длительности импульса
Синхронизация Фильтры синхронизации фильтр AC, фильтр DC, ФНЧ, ФВЧ, фильтр шума
Внешняя синхронизация Чувствительность 50 мВ (до 30 МГц), 100 мВ (30.150 МГц) Диапазон ±15 В Макс. уровень 300 В (DC+AC пик, до 1 кГц)
Вход внешней синхронизации 1 МОм (±2%)/22 пФ
Разрешение по вертикали 8 бит
Частота дискретизации До 100 Мвыборок/с на канал
Эквив. частота дискретизации До 25 Гвыборок/с на канал
Аналого-цифровое преобразование Длина записи 125 кбайт на канал
Пиковый детектор 10 нс
Режимы работы Выборка, пик. детектор (>10 нс); усреднение (2/.../256); накопление; выбор длины записи (0,5 К/.../125 К)
Курсорные измерения Функции AV; ДТ; 1/ДЇ
Автоматические Функции по вертикали V пик-пик; V пик.; V ср. №.;V ср.; -V; +V; V макс.; V мин.
измерения Функции по горизонтали f; Т; t нарастания; t среза; +т; -т; коэфф. заполнения
Разрешение 6 разрядов
Частотомер Диапазон измерений 10 Гц...150 МГц
Погрешность измерения ±(5х10"5 + 1 ед. счета)
Интерфейс (кроме 003-820) RS-232C; GPIB (опция); LPT; USB
Синхронизация Автовыбор синхросигнала (2-кан. режим)
Автоустановка В/дел, с/дел, параметры синхросигнала
Дополнительные возможности Режим Х-У Х - кан 1; Y - кан 2; разность фаз <3° до 100 кГц
Глубокая память Запись/считывание: 2 осциллограммы; 15 профилей
Функции Допусковый контроль; обучающий режим; контекстное меню
ЖК-дисплей 8x10 дел (разрешение 320x240)
Напряжение питания 100.240 В, 48.63 Гц
Общие данные Габаритные размеры, мм 254x142x310
Масса, кг 4,1
Комплект поставки Шнур питания (1), делитель 1:1/1:10 (2)
Характеристики Параметры Значения
Полоса пропускания (-3 дБ) 0.250 МГц Ограничение полосы пропускания - до 20 МГц
Коэфф. отклонения (Коткл.) 2 мВ/дел.5 В/дел (шаг 1-2-5)
Погрешность установки Коткл ±3%
Канал вертикального отклонения Время нарастания <1,4 нс
Входной импеданс 1 МОм (±2%)/22 пФ
Макс. входное напряжение 300 В (DC+AC пик, до 1 кГц)
Режимы работы Канал 1, канал 2, канал 1 (2) инвертированный, канал 1 и 2
Математика Кан 1 + Кан 2; Кан 1 - Кан 2; БПФ
Канал Коэфф. развертки (К^,.) 1 нс/дел.10 с/дел (шаг 1-2-5)
горизонтального Погрешность установки К^,. ±0,01%
отклонения Режимы работы Основной, окно, ZOOM окна, самописец, X-Y
Источники синхросигнала Канал 1, канал 2, сеть, внешний
Режимы запуска развертки Авто, ждущий, однократный, ТВ, пред- (20 дел.) и послезапуск (1000 дел), по времени (100 нс.1,3 мс), по событию (2.65000), по фронту, по длительности импульса
Синхронизация Фильтры синхронизации фильтр AC, фильтр DC, ФНЧ, ФВЧ, фильтр шума
Внешняя синхронизация Чувствительность 50 мВ (до 30 МГц), 100 мВ (30.150 МГц), 150 мВ (150.250 МГц) Диапазон ±15 В Макс. уровень 300 В (DC+AC пик, до 1 кГц)
Вход внешней синхронизации 1 МОм (±2%) / 22 пФ
Разрешение по вертикали 8 бит
Частота дискретизации До 100 Мвыб/с на канал
Эквив. частота дискретизации До 25 Гвыб/с на канал
Аналого-цифровое преобразование Длина записи 125 кбайт на канал
Пиковый детектор 10 нс
Режимы работы Выборка, пик. детектор (>10 нс); усреднение (2/./256); накопление; выбор длины записи (0,5 К/./125 К)
Курсорные измерения Функции Д/; ДТ; 1/ДТ
Автоматические Функции по вертикали V пик-пик; V пик.; V ср. кв.^ ср.; -V; +V; V макс.; V мин.
измерения Функции по горизонтали f; Т; t нарастания; t среза; +т; -т; коэфф. заполнения
Разрешение 6 разрядов
Частотомер Диапазон измерений 10 Гц...250 МГц
Погрешность измерения ±(5x10"5 + 1 ед. счета)
Интерфейс (кроме 003-820) RS-232C; GPIB (опция); LP^ USB
Синхронизация Автовыбор синхросигнала (2-кан. режим)
Автоустановка В/дел, с/дел, параметры синхросигнала
Дополнительные возможности Режим Х-У Х - кан 1; Y - кан 2; разность фаз <3° до 100 кГц
Глубокая память Запись/считывание: 2 осциллограммы; 15 профилей
Функции Допусковый контроль; обучающий режим; контекстное меню
ЖК-дисплей 8x 10 дел (разрешение 320x240)
Напряжение питания 100.240 В, 48.63 Гц
Общие данные Габаритные размеры, мм 254x142x310
Масса, кг 4,1
Комплект поставки Шнур питания (1), делитель 1:1/1:10 (2)
Эквивалентная частота дискретизации связана с длиной памяти формулой:
рэч^ _ длина памяти
время развертки х 10
где Бэчд — эквивалентная частота дискретизации.
При длине памяти 500 бит (это аппаратное ограничение длины памяти на развертке 2 нс) и времени развертки 2 пс получаем Бэчд = 25 Гвыб/с.
У осциллографов ТеЙтотх вследствие заложенного принципа обработки сигнала нет понятия эквивалентной частоты дискретизации,
он обрабатывает сигнал при реальной дискретизации и при минимальном времени развертки 5 нс. Для осциллографа 100 МГц частота дискретизации составляет 1 Гвыб/с. Еще раз подчеркнем, что понятие эквивалентной дискретизации применимо только для периодических сигналов. При исследовании однократных сигналов Tektronix обеспечивает дискретизацию 1 Гвыб/с, а GW Instek только 100 Мвыб/с.
Следующее достоинство цифровых осциллографов — возможность автоматических измерений параметров входного сигнала, как амплитудных, так и временных (таблица 2). В этом режиме GW Instek GDS-820 обеспечи-
вает измерение 15 параметров, ни в чем не уступая серии TDS.
Цифровой осциллограф немыслим без возможности подключения к компьютеру. В этом вопросе инженеры компании GOOD WILL продвинулись дальше конструкторов из Tektronix. В новой серии осциллографов GDS применен интерфейс USB, обеспечивающий более высокую скорость передачи, чем классический RS-232, имеющий в последнее время большую популярность. Причем этот интерфейс поставляется в стандартной комплектации. Осциллограф GW Instek GDS-820 имеет все необходимое для подключения периферийных устройств
е
Компоненты и технологии, № 3'2003
и соединения с компьютером. Кроме того, в стандартную комплектацию входит интерфейс RS-232 и порт для подключения внешнего принтера LPT. Программное обеспечение в стандартной комплектации поставляется бесплатно. Дополнительно предоставляется возможность установки только порта GPIB для работы осциллографа в системе КОП. Сравнивая эти возможности с возможностями Tektronix, хочется отметить, что за все дополнительные модули связи с компьютером и программное обеспечение при покупке осциллографов Tektronix придется платить дополнительные деньги — а это порядка $ 700, что составляет больше половины стоимости осциллографа.
Texi
ГИИ
Сравнение основных технических характеристик цифровых осциллографов GOOD WILL и Tektronix приведено в таблице 1.
Внешний вид осциллографа серии GDS с монохромным ЖК-индикатором (рис. 12).
Более подробные технические характеристики осциллографов GW Instek серии 820 приведены в таблице 2, а осциллографов серии 840 — в таблице 3.
Учитывая все вышесказанное, можно утверждать, что новые цифровые осциллографы компании GOOD WILL Instek почти по всем техническим характеристикам не уступают популярным осциллографам серий 1000 и 2000 компании Tektronix, а по некоторым параметрам даже превосходят их. А учитывая соотношение цен, можно предположить, что в ближайшие годы цифровые осциллографы GW Instek составят серьезную конкуренцию продукции Tektronix.
