Одна из важнейших характеристик осциллографа

Магазин Gtest(R) предлагает широкую номенклатуру осциллографов на приводимой страничке сайта в самом конце настоящего Раздела, а также рекомендуемые приборы и статьи для самообразования

1. Общие сведения

Пользователи осциллографов справедливо считают тремя важнейшими характеристиками этого типа приборов: 1).Полоса пропускания, 2). Частота дискретизации и 3). Глубина памяти. В настоящей статье будут представлены рекомендации по выбору осциллографов, связанные с их памятью при захвате данных. Выбор осциллографа с большой памятью гарантирует значительную экономию времени в процессе устранения неполадок в электронных/электротехнических устройствах, схемах и их отладке.

Чрезвычайно важно адекватно оценивать глубину памяти осциллографа, а не просто лицезреть соответствующую цифру в техдокументации. Правильное понимание преимуществ глубокой памяти гарантирует то, что применение конкретной модели осциллографа будет соответствовать установленным потребностям и различного рода приложениям.

2. Расчёт глубины памяти для сбора данных

Память для сбора и сохранения данных, также просто называемая памятью (Memory) или длиной записи (Record Length), обозначает количество выборок или точек захвата, которые могут быть сохранены при каждом цикле сбора данных осциллографом. Классификация единицы памяти, предназначенная для сбора данных, в техдокументации обозначается как выборка, или точка захвата (т. е. Mpts, здесь: миллион точек), чтобы не вносить путаницу в термины: частота выборки (MSa/s, здесь: мега точек в секунду) и глубина памяти (Msa, здесь: мега выборки).

Глубина памяти равна частоте дискретизации (выборки) прибора, умноженной на время захвата:

Память = Частота выборки х Время захвата данных

Осциллограф, способный регистрировать длину записи в один миллион выборок (точек захвата) за один приём на одном канале, обладает памятью для сбора данных объемом 1 Мбит/с. Если каждый из нескольких каналов прибора одновременно обладает 1 МБ памяти, то длина записи по-прежнему определяется как 1 МБ. Если точка выборки исходит от 8-битного АЦП или содержит в 16 раз больше информации по вертикали от 12-битного АЦП, это все равно это одна характеристика памяти.

Рис. 1. Осциллографы модельного ряда R&S®MXO 4 ASIC R&S®MXO-EP (Extreme Performance) имеют встроенное устройство управления памятью, которое считывает и записывает данные в быструю память DDR. Контроллер 28-нм CMOS ASIC обеспечивает самую высокую в отрасли скорость обновления глубокой памяти и обладает более 36 миллионами транзисторов, что даёт ему возможность обрабатывать информацию со скоростью 200 Гбит/с.

2.1 Чем больше, тем лучше?

Если все остальные характеристики одинаковы, то, безусловно, осциллограф с большей глубиной памяти приоритетнее, чем такой же осциллограф с меньшей памятью. Дополнительная память имеет ряд свойств. Следует помнить, что больший объем памяти должен вступать в определённый компромисс при задействовании дополнительных своих ресурсов. Осциллографы — это измерительные устройства с чрезвычайно интенсивными процессами обработки информации. По мере использования большего объема памяти, требования к обработке захваченных данных возрастают, что в целом замедляет общую производительность прибора. В идеальном случае осциллограф должен обладать неограниченным объемом памяти для сбора данных, но при этом использовать только тот объем, который требуется для конкретного приложения, и никак не более того, что обеспечивает его (осциллографа) максимально быструю работу.

Как правило, большинство пользователей не знают, сколько памяти измерительного устройства им необходимо для решения текущих задач и склонны фантазировать на предмет того, как же по ходу дела проводить тесты, задействуя всю доступную им память. Например, когда группа инженеров присматривается к новому осциллографу, то они (инженеры) часто покупают модель с большим объёмом памяти как своего рода страховку под возможные потребности в будущем. После начала эксплуатации нового прибора, инженеры задаются вопросом, как они вообще до этого обходились такой малой памятью у своих ранее приобретённых осциллографов.

2.1.1 Стандартная величина или с дополнительной опцией

Все осциллографы отгружаются с завода-изготовителя с установленным объёмом базовой памяти, которая является частью стандартной комплектации этого типа приборов. На протяжении своей истории производители осциллографов выпускали различные версии аппаратного обеспечения, каждая из которых обладала определенной ёмкостью общей памяти. Но в начале нового тысячелетия производители посчитали экономически целесообразным создать единую аппаратную платформу с максимально возможным объёмом памяти. Так, в стандартную комплектацию приборов включена часть этой памяти для сбора данных, а затем, посредством лицензии на дополнительное программное обеспечение пользователи получают возможность активировать уже большую (или оставшуюся) часть доступной памяти своего прибора. Такой подход очень понравился большинству инженеров из-за более низкой первоначальной стоимости осциллографа при меньшем объёме памяти и возможности в дальнейшем её (память) активировать на больший объём по мере развития потребностей этих инженеров.

Производители осциллографов обычно издают спецификации, со ссылкой на базовую память, при этом ссылаются на возможности её расширения для задействования которой требуется дополнительная платная опция. Не изучая внимательно технические спецификации приборов, становится трудно определить, является ли обозначенная производителем память её базовым значением, или же величина этой памяти максимальная, при условии приобретения дополнительной опции.

3. Глубина памяти не является статической величиной

Так бывает, что покупатели приобретают продукт на основе нескольких характеристик определённых разделов спецификаций, а затем обнаруживают, что эти спецификации взаимоисключающие. Не все производители осциллографов указывают глубину памяти своих приборов одинаково. Производители обычно указывают в спецификациях общую глубину памяти, но эта глубина может быть недоступна из-за различных настроек осциллографа. Большинство архитектур осциллографов вступают в компромисс между объемом памяти и иными своими настройками.

Давайте посмотрим на несколько наиболее распространенных.

3.1.1 Количество каналов

Архитектура осциллографа имеет устройство управления памятью, при наличии некоторого фиксированного её (памяти) объема. Обычно это архитектура памяти DDR (синхронная динамическая память с произвольным доступом и удвоенной скоростью передачи данных) с быстрым входом и замедлением (FISO, т.е Быстро в медленный выход). Общий объем доступной памяти DDR в системе осциллографа будет гораздо больше, поскольку эта память распределяется между каналами, опорными сигналами и другими параметрами.

Рисунок 2. Как правило осциллографы обладают соотношением между количеством задействованных каналов и максимальной доступной памятью на канал.

Большинство осциллографов обеспечивают максимальные величины памяти, которая задействуется при включении до половины имеющихся аналоговых каналов, при этом память понижается в два раза, когда работающие аналоговые каналы, использующие один и тот же алгоритм обработки и хранения информации, одновременно задействованы. Например, осциллограф может иметь глубину памяти 4 Мбит при включенном только одном канале (1), но при дополнительном включении канала (2) глубина памяти на канал уже падает до 2 Мбит.

Во многих осциллографах архитектура памяти задействуется как по аналоговым, так и по цифровым каналам. Выборки цифрового канала занимают меньший объём, поскольку их длина составляет всего 1 бит. Однако цифровые каналы обычно задействуют 8 или 16 каналов одновременно, поэтому общее потребление памяти может быть высоким. Например, осциллограф обладает 4 МБ памяти на одном канале, то эта память уменьшается до 2 МБ при включении двух каналов и снова уменьшается до 1 МБ при включении логических каналов MSO (в случае осциллографа смешанных сигналов).

3.1.1 ОДИНОЧНЫЙ режим и режим Работы

В зависимости от архитектуры осциллографа максимальная глубина памяти может отличаться, если осциллограф работает непрерывно или осуществляется всего один цикл сбора данных. Максимальная глубина памяти применима при захвате одного снимка. Однако при непрерывной работе осциллографа глубина может быть вдвое меньше.

Осциллографы с более высокой пропускной способностью имеют два алгоритма сбора данных, которые работают последовательно и также последовательно сохраняют данные в памяти. В режиме RUN (Работа) каждый из приборов имеет доступ к половине заявленной памяти, а в режиме SINGLE (Одиночный), поскольку скорость обновления не важна, работает только один алгоритм, где присутствует доступ к удвоенному объему дискового пространства. В других применениях объем памяти одинаков в режиме SINGLE и RUN. Это зависит от конструктива осциллографа и технических решений, принятых при его проектировании.

В вышеприведённом примере режимы работы прибора с 4 МБ памяти с одним каналом, которая снижается до 2 МБ с двумя каналами и 1 МБ с дополнительно добавленной цифровой памятью, то объём памяти падает до 512 КБ в режиме RUN (задействования всех функций).

4. Глубина памяти

4.1 Насколько память глубока?

Определение термина «глубина памяти» варьируется от поставщика к поставщику и со временем эволюционировала. На заре первых цифровых осциллографов, их память измерялась в сотнях точек и в 1990-х годах идентифицировалась в Kpts. Глубина памяти современных осциллографов обычно составляет от десятков до сотен мегапикселей. Различные производители будут заявлять, что их продукция имеет глубокую память, но при этом амбициозный конкурент в состоянии предложить до 100 раз большую. Особенно это относится к осциллографам, которые присутствуют на рынке в течение длительного времени. Когда эти осциллографы были «молодыми», то их глубина памяти считалась глубокой, но по сравнению с нынешними аналогами их глубина памяти совсем невелика. Многие типы встроенного оборудования обладают большими преимуществами, будучи тестируемы осциллографами с большой памятью.

4.2 Примеры применения

4.2.1 Необходимость захвата в течение длительного времени

Время загрузки источника питания является наглядным примером того, что происходит за время через восприятие его человеком. Последовательность включения питания прибора занимает десятки миллисекунд. В то время как вкл. и выкл. шин напряжения не требует более высокой пропускной способности, высокоскоростных последовательных шин передачи данных и других систем. Компоненты получают сигналы, которые требуют анализа более широкой полосы пропускания параллельно с последовательными событиями задействования значений мощности. Для этого чрезвычайно полезна глубокая память осциллографа, позволяющая захватить достаточное время с достаточной пропускной способностью.

4.2.2 Основная причина и её симптомы разделены во времени

Иногда источник проблемы значительно разделён по времени от проявившего себя симптома. Наличие у осциллографа глубокой памяти позволяет командам изолировать симптом, а затем вернуться к основной причине проблемы.

4.2.3 Необходимость решения сложных проблем

Глубокая память осциллографа даёт возможность быстрее решать комплексные проблемы. Электромагнитные помехи (EMI), перекрестные помехи/перекрестная связь и связанные с ними проблемы могут вносить негативные факторы в различные части конструкции оборудования. В нередких случаях то или иное устройство задействует при работе все свои функции, при этом источник проблемы имеет длительность в миллисекундах или секундах.

4.2.4 Шины последовательной передачи данных

Шины с низкой скоростью последовательной передачи данных, такие как I2C, SPI, RS-232, CAN или LIN, часто применяются в качестве элементов управления для цифровых схем и оборудования. Во многих случаях, такого рода шины являются причинами изменений или определённых событий в электронной/электротехнической системе, кроме того они (шины) используются для устранения неполадок и понимания поведения тестируемого объекта. Хотя протоколы запуска осциллографа на конкретное событие способны помочь, тем не менее, для получения достоверной информации часто необходима визуализация пакетов данных. Два часто используемых метода визуализации нескольких пакетов: уменьшение частоты выборки в осциллографе или просмотр нескольких пакетов с сегментированной памятью.

Уменьшение частоты выборки для захвата данных в течение большего периода времени может привести к риску недостаточной выборки в шине последовательной передачи и невозможности правильного запуска развёртки прибора или декодирования. Использование сегментированной памяти исключает возможность визуализации событий триггера и часто ограничивает возможности анализа полученной информации, поскольку осциллограф может анализировать пакеты только в данном конкретном сегменте, но не между ними.

4.2.5 Когда необходим дальнейший анализ данных

Некоторые приложения требуют от пользователей сбора как можно большего кол-ва информации, а затем тщательного их анализа. Такой режим может включать в себя дальнейшие исследования с применением имеющегося прикладного инструментария осциллографа и приложений анализа. Также предусмотрен режим выгрузки захваченных данных на специализированную платформу с применением программных пакетов MATLAB или сценария Python.

5. Соотношение памяти, частоты дискретизации и полосы пропускания

Хотя многие пользователи считают глубину памяти, частоту дискретизации и полосу пропускания независимыми характеристиками с постоянным значением, тем не менее все они тесно связаны.

Память = (Частота выборки) ∗ (Время захвата)

5.1 Захват в течение длительного времени с заданной частотой дискретизации

Время захвата = Память / (Частота выборки)

Рисунок 3. Больше памяти означает, что осциллограф способен захватывать в больший период времени при заданной частоте дискретизации.

Многие пользователи стремятся захватывать данные в течение определенного промежутка времени или в течение как можно большего его (времени) промежутка.

При установленной частоте дискретизации наличие большего объема памяти позволяет пользователю осуществлять захват в течение более длительного интервала времени. Это преимущество многократно очевидно и оценено инженерами по достоинству. Дополнительная глубина памяти позволяет пользователям удерживать необходимую частоту дискретизации или даже более высокую, чем необходимая, что приводит к чувству стойкой уверенности в точности измерений, а также обеспечивает большую гибкость при регистрации комбинаций медленных и быстрых сигналов.

5.2 Сохранение необходимой частоты дискретизации при захвате в течение большего периода времени

(Частота выборки) = (Время захвата) / Память

Когда пользователь устанавливает временную развертку осциллографа на более медленную, чтобы захват данных осуществлялся в течение большего времени, то скорость захвата останется неизменной до тех пор, пока не будет выбрана максимальная ёмкость памяти. За пределами такой точки захвата, когда захватывается в период большего интервала времени, прибор уменьшает частоту дискретизации. Настройка временной базы для захвата еще в течение ещё большего времени, соответственно, еще больше снижает частоту дискретизации.

Часто это приводит к тому, что результирующая частота дискретизации оказывается недостаточной для номинальной полосы пропускания осциллографа. Сигналы будут недостаточно оцифрованы, и может возникнуть наложение спектров. Такая ситуация очень даже разочаровывает, поскольку, в этом случае никакие результаты измерений не будут достоверными. Пользователь, считающий, что полоса пропускания его осциллографа составляет 1 ГГц, должен понимать, что частота частоты дискретизации достаточно только для полосы пропускания 1 МГц.

Следует всегда держать в голове, что осциллограф не уведомляет о том, что у инженера могут возникнуть серьезные проблемы с измерениями. Осциллографы не обладают функциями для того, чтобы извещать пользователей, когда частота дискретизации недостаточна для номинальной полосы пропускания и происходит, т.е. недостаточная выборка и/или наложение спектров. Задача выявления такой ситуации сложнее на тех осциллографах, которые не имеют постоянно на главном дисплее индикации частоты текущей дискретизации. Для процессов тестирования, в которых присутствует комбинация быстрых и медленных сигналов, больший объем памяти чрезвычайно полезен для более длительного захвата с достаточной частотой дискретизации в отношении быстрых сигналов.

Рисунок 4. Больше памяти означает, что прибор может захватывать больше времени без снижения частоты дискретизации.

5.3 Взаимозависимости и отношения характеристик

По умолчанию большинство современных осциллографов ограничивают объем используемой ими памяти. Они делают это для того, чтобы прибор «не тормозил» при включении глубокой памяти. Например, у одного производителя ограничение памяти по умолчанию составляет 10 Кбайт, а у другого — 10 Мбайт, тогда как у обоих таких осциллографов максимальный доступный объем памяти превышает любое из значений по умолчанию.

Пользователи должны вручную изменять настройки объема памяти, чтобы позволить прибору использовать её (памяти) больше, чем установленный на заводе-изготовителе по умолчанию искусственный предел. Для проведения такого рода настроек, пользователям необходимо войти в диалоговое окно настройки сбора данных вручную, где они смогут контролировать частоту дискретизации. Некоторые модели осциллографов не позволяют независимо управлять частотой дискретизации, или же осциллограф не позволяет независимо управлять разверткой, частотой дискретизации и глубиной памяти.

Это способно разочаровать пользователя, поскольку зависимости характеристик осциллографа не достигаются и как-то решить эту задачу не выходит. Осциллографы, которые позволяют независимо управлять всеми тремя характеристиками, способны захватывать данные даже за кадром, что в определённых случаях очень эффективно для качества измерений.

6. Сегментированная память

Большинство осциллографов обеспечивают режим сегментированной памяти в качестве стандартной функции или как платная опция. Этот режим обеспечивает более эффективный алгоритм захвата сигналов, разделенных периодами, в то время, когда сигнал неактивен. В качестве примеров можно привести шины последовательной передачи данных, анализ электрических и радиочастотных импульсов.

Используя сегментированную память, инженеры определяют условие запуска осциллографа и определенный объем памяти для гарантированного захвата событий триггера. Каждое новое событие запуска собирает небольшое кол-во данных осциллографа. Период времени между событиями запуска, когда сигнал неактивен, не фиксируется и, следовательно, не расходуется память. Этот режим позволяет осуществлять однократный захват в течение более длительного периода времени, чем это было бы возможно при одном непрерывном сборе данных.

Рисунок 5. Сегментированная память сохраняет только окно захвата в отношении триггерного события для более эффективного расходования памяти в конкретных приложениях, где достаточно всего однократного сбора данных. Больше памяти означает, что прибор может иметь больше её (памяти) сегментов, большую частоту дискретизации или больше времени для анализа каждого сегмента.

Хотя сегментированный режим позволяет более эффективно использовать память для сбора данных, здесь присутствуют нюансы:

► Это однократный сбор данных, который не работает в повторяющемся режиме RUN (Работа).

► Просмотр результатов измерений предполагает перемещение по нескольким экранам сбора данных. Анализ по сегментам часто ограничен или, как минимум, более сложен. Сегментированный режим не компенсирует отсутствие глубокой памяти.

Преимущества глубокой памяти для режима сегментирования:

Объем памяти, доступной для каждого сегмента, равен максимальной памяти, разделенной на количество сегментов. Осциллограф с большей глубиной памяти имеет более мощную сегментированную память, поскольку он может захватывать больше сегментов, или каждый сегмент может включать больше времени, или общая частота дискретизации осциллографа может быть выше.

Режим длительной записи данных тестирования (истории) тесно связан с режимом сегментированной памяти. Настройка сегментированного режима памяти осуществляется непосредственно пользователем. В режиме истории осциллограф автоматически сохраняет процесс последовательных измерений в фоновом режиме, А когда пользователь нажимает СТОП, он имеет возможность вернуться и просмотреть результаты предыдущих тестов.

7. Декодирование шины последовательной передачи данных и память.

Шины последовательной передачи данных обеспечивают отличную видимость процессов отладки и тестирования. Осциллографы могут быть оснащены приложениями запуска и декодирования шины последовательной передачи данных, обеспечивающими измерения на уровне пакетов протокола. Часто очень сложно определить взаимосвязь между объемом памяти и количеством пакетов, которые можно захватить. Для каждого протокола осциллограф должен поддерживать определенную частоту дискретизации для точного декодирования этого протокола, и каждый протокол имеет уникальную структуру на физическом уровне.

Глубокая память с задействованным режимом декодированием протокола оказывает сильную нагрузку на вычислительные ресурсы осциллографа. Осциллографы обрабатывают значительные объемы информации посредством протокола, но также осциллографы могут работать и медленно из-за большого объема памяти и процесса декодирования протокола.

Рис. 6. Осциллографы серии R&S®MXO 4 — первые в мире, поддерживающие двухканальный анализ протоколов. Это нововведение решает проблемы с режимами декодирования в течение длительных периодов времени. Отдельная область памяти для декодирования пакетов означает более гибкую функциональную особенность с чётко определённым перехватываемым максимальным количеством пакетов.

Современные лидеры мирового рынка осциллографов представляют инновационную технику декодирования пакетов, когда необходим захват данных в течение длительного периода времени. Архитектура таких приборов обеспечивает два ключевых преимущества, которые решают многие проблемы.

1. Анализ двух трактового протокола

1.1. Прибор имеет дублирующий путь выборки для декодирования протокола, который выполняет выборку со скоростью, достаточной для широко распространённых последовательных шин, таких как I2C, SPI, RS-232, CAN, LIN и других. Если прибор имеет невысокую по скорости временную развертку и более низкую аналоговую частоту дискретизации, он все равно в точности запускает и декодирует шины последовательной передачи данных. Этот метод позволяет правильно декодировать большое количество пакетов даже при более низких параметрах аналоговой частоты дискретизации.

1.2. Анализ двух трактового протокола сохраняет пакеты протоколов как сами пакеты. Это имеет множество преимуществ. Во-первых, база данных для информации о пакетах намного меньше, чем длительный режим непрерывной реконструкции пакетов, а это означает, что прибор будет иметь более высокую скорость обновления и более оперативно реагировать. Во-вторых, прибор имеет выделенную память для пакетов, что означает, что инженеры имеют определённое количества пакетов, которые можно сохранить.

Рис. 7. Анализ двух трактового протокола осциллографом R&S®MXO серии 4 обеспечивает точный запуск пакетов и их декодирование, даже если исходные сигналы шины последовательной передачи данных имеют сильно заниженные параметры дискретизации. Это позволяет инженерам захватывать более длительные участки с помощью последовательного декодирования.

8. Выводы

В отношении любого осциллографа память для сбора данных заслуживает своего ключевого статуса спецификаций наряду с полосой пропускания и частотой дискретизации. Осциллографы с большим объемом памяти обеспечивают большую гибкость при захвате данных в течение более длительных интервалов времени, сохраняют более высокие параметры частоты дискретизации с более медленной временной разверткой, что гарантирует точность измерений как в отношении текущих, так и вероятных будущих потребностей при отладке электронного и электротехнического оборудования.

Рекомендации:

При подборе осциллографа, обязательно проведите (с учётом всего вышеизложенного) анализ заявленного значения глубины памяти и изучите настройки, связанные с этими заявлениями, чтобы провести эквивалентные сравнения с иными моделями этого типа приборов. Способность осциллографа быстро обрабатывать большой объем памяти гарантирует быстроту реагирования прибора на те или иные события, а также более высокую его производительность в ходе различного рода тестов.

Магазин Gtest® - авторизованный поставщик осциллографов в Украину: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/ostcillografy

Поставки со склада и под заказ

Сопутствующие Товары