Одна з найважливіших характеристик осцилографа

Магазин Gtest(R) пропонує широку номенклатуру осцилографів на сторінці сайту в самому кінці цього Розділу, а також рекомендовані прилади та статті для самоосвіти

1. Загальні відомості

Користувачі осцилографів справедливо вважають трьома найважливішими характеристиками цього приладів: 1).Смуга пропускання, 2). Частота дискретизації та 3). Глибина пам'яті. У цій статті будуть представлені рекомендації щодо вибору осцилографів, пов'язані з їхньою пам'яттю під час захоплення даних. Вибір осцилографа з великою пам'яттю гарантує значну економію часу в процесі усунення несправностей в електронних/електротехнічних пристроях, схемах та їх налагодженні.

Дуже важливо адекватно оцінювати глибину пам'яті осцилографа, а не просто бачити відповідну цифру в техдокументації. Правильне розуміння переваг глибокої пам'яті гарантує те, що застосування конкретної моделі осцилографа буде відповідати встановленим потребам та різноманітним додаткам.

2. Розрахунок глибини пам'яті збору даних

Пам'ять для збирання та збереження даних, також просто звана пам'яттю (Memory) або довжиною запису (Record Length), позначає кількість вибірок або точок захоплення, які можуть бути збережені при кожному циклі збору даних осцилографом. Класифікація одиниці пам'яті, призначена для збору даних, у техдокументації позначається як вибірка, або точка захоплення (тобто Mpts, тут: мільйон точок), щоб не вносити плутанину в терміни: частота вибірки (MSa/s, тут: мега точок в секунду) та глибина пам'яті (Msa, тут: мега вибірки).

Глибина пам'яті дорівнює частоті дискретизації (вибірки) приладу, помноженої на час захоплення:

Пам'ять = Частота вибірки x Час захоплення даних

Осцилограф, здатний реєструвати довжину записи в один мільйон вибірок (точок захоплення) за один прийом на одному каналі, має пам'ять для збору даних об'ємом 1 Мбіт/с. Якщо кожен із кількох каналів приладу одночасно має 1 МБ пам'яті, то довжина запису як і визначається як 1 МБ. Якщо точка вибірки походить від 8-бітного АЦП або містить у 16 разів більше інформації по вертикалі від 12-бітного АЦП, це однаково це одна характеристика пам'яті.

Мал. 1. Осцилографи модельного ряду R&S®MXO 4 ASIC R&S®MXO-EP (Extreme Performance) мають вбудований пристрій керування пам'яттю, який зчитує та записує дані у швидку пам'ять DDR. Контролер 28-нм CMOS ASIC забезпечує найвищу в галузі швидкість оновлення глибокої пам'яті і має понад 36 мільйонів транзисторів, що дає можливість обробляти інформацію зі швидкістю 200 Гбіт/с.

2.1 Чим більше, тим краще?

Якщо всі інші характеристики однакові, то, безумовно, осцилограф з більшою глибиною пам'яті пріоритетніший, ніж такий осцилограф з меншою пам'яттю. Додаткова пам'ять має низку властивостей. Слід пам'ятати, що більший обсяг пам'яті має вступати у певний компроміс при залученні своїх додаткових ресурсів. Осцилографи – це вимірювальні пристрої з надзвичайно інтенсивними процесами обробки інформації. У міру використання більшого обсягу пам'яті вимоги до обробки захоплених даних зростають, що в цілому уповільнює загальну продуктивність приладу. В ідеальному випадку осцилограф повинен мати необмежений обсяг пам'яті для збору даних, але при цьому використовувати тільки той обсяг, який потрібно для конкретного додатка, і ніяк не більше того, що забезпечує його (осцилограф) максимально швидку роботу.

Як правило, більшість користувачів не знають, скільки пам'яті вимірювального пристрою їм необхідно для вирішення поточних завдань і схильні фантазувати на предмет того, як по ходу справи проводити тести, використовуючи всю доступну їм пам'ять. Наприклад, коли група інженерів придивляється до нового осцилографа, то вони (інженери) часто купують модель з великим обсягом пам'яті як страховку під можливі потреби в майбутньому. Після початку експлуатації нового приладу, інженери задаються питанням, як вони взагалі обходилися такою малою пам'яттю у своїх раніше придбаних осцилографів.

2.1.1 Стандартна величина або з додатковою опцією

Усі осцилографи відвантажуються із заводу-виробника із встановленим обсягом базової пам'яті, яка є частиною стандартної комплектації цього типу приладів. Протягом своєї історії виробники осцилографів випускали різні версії апаратного забезпечення, кожна з яких мала певну ємність загальної пам'яті. Але на початку нового тисячоліття виробники вважали економічно доцільним створити єдину апаратну платформу з максимально можливим обсягом пам'яті. Так, у стандартну комплектацію приладів включена частина цієї пам'яті для збору даних, а потім, за допомогою ліцензії на додаткове програмне забезпечення, користувачі отримують можливість активувати вже більшу (або решту) частину доступної пам'яті свого приладу. Такий підхід дуже сподобався більшості інженерів через нижчу первісну вартість осцилографа при меншому об'ємі пам'яті та можливості надалі її (пам'ять) активувати на більший обсяг у міру розвитку потреб цих інженерів.

Виробники осцилографів зазвичай видають специфікації з посиланням на базову пам'ять, при цьому посилаються на можливості її розширення для залучення якої потрібна додаткова платна опція. Не вивчаючи уважно технічні специфікації приладів, важко визначити, чи є позначена виробником пам'ять її базовим значенням, чи величина цієї пам'яті максимальна, за умови придбання додаткової опції.

3. Глибина пам'яті не є статичною величиною

Так буває, що покупці набувають продукту на основі декількох характеристик певних розділів специфікацій, а потім виявляють, що ці специфікації є взаємовиключними. Не всі виробники осцилографів вказують глибину пам'яті своїх пристроїв однаково. Виробники зазвичай вказують у специфікаціях загальну глибину пам'яті, але ця глибина може бути недоступна через різні налаштування осцилографа. Більшість архітектур осцилографів вступають у компроміс між обсягом пам'яті та іншими своїми налаштуваннями.

Давайте подивимося на кілька найпоширеніших.

3.1.1 Кількість каналів

Архітектура осцилографа має пристрій керування пам'яттю, за наявності деякого фіксованого її (пам'яті) обсягу. Зазвичай це архітектура пам'яті DDR (синхронна динамічна пам'ять з довільним доступом та подвоєною швидкістю передачі даних) зі швидким входом та уповільненням (FISO, тобто швидко в повільний вихід). Загальний обсяг доступної пам'яті DDR в системі осцилографа буде набагато більшим, оскільки ця пам'ять розподіляється між каналами, опорними сигналами та іншими параметрами.

Малюнок 2. Як правило, осцилографи мають співвідношення між кількістю задіяних каналів і максимальною доступною пам'яттю на канал.

Більшість осцилографів забезпечують максимальні величини пам'яті, яка задіюється при включенні до половини наявних аналогових каналів, при цьому пам'ять знижується вдвічі, коли працюючі аналогові канали, що використовують один і той же алгоритм обробки та зберігання інформації, одночасно задіяні. Наприклад, осцилограф може мати глибину пам'яті 4 Мбіт при включеному тільки одному каналі (1), але при додатковому включенні каналу (2) глибина пам'яті на канал падає до 2 Мбіт.

У багатьох осцилографах архітектура пам'яті задіюється як аналоговими, і цифровими каналами. Вибірки цифрового каналу займають менший обсяг, оскільки їхня довжина становить лише 1 біт. Однак цифрові канали зазвичай задіяні 8 або 16 каналів одночасно, тому загальне споживання пам'яті може бути високим. Наприклад, осцилограф має 4 МБ пам'яті одному каналі, то ця пам'ять зменшується до 2 МБ при включенні двох каналів і знову зменшується до 1 МБ при включенні логічних каналів MSO (у разі осцилографа змішаних сигналів).

3.1.1 ОДИНКОВИЙ режим та режим Роботи

Залежно від архітектури осцилографа максимальна глибина пам'яті може відрізнятися, якщо осцилограф працює безперервно або лише один цикл збору даних. Максимальна глибина пам'яті застосовується під час захоплення одного знімка. Однак при безперервній роботі осцилографа глибина може бути вдвічі меншою.

Осцилографи з більш високою пропускною здатністю мають два алгоритми збору даних, які працюють послідовно і послідовно зберігають дані в пам'яті. У режимі RUN (Робота) кожен із приладів має доступ до половини заявленої пам'яті, а в режимі SINGLE (Одиночний), оскільки швидкість оновлення не важлива, працює лише один алгоритм, де є доступ до подвоєного об'єму дискового простору. В інших застосуваннях обсяг пам'яті однаковий у режимі SINGLE та RUN. Це залежить від конструктиву осцилографа та технічних рішень, прийнятих під час його проектування.

У наведеному прикладі режими роботи приладу з 4 МБ пам'яті з одним каналом, яка знижується до 2 МБ з двома каналами і 1 МБ з додатково доданою цифровою пам'яттю, то обсяг пам'яті падає до 512 КБ в режимі RUN (задіяння всіх функцій).

4. Глибина пам'яті

4.1 Наскільки пам'ять є глибокою?

Визначення терміну «глибина пам'яті» варіюється від постачальника до постачальника та згодом еволюціонувала. На зорі перших цифрових осцилографів їх пам'ять вимірювалася в сотнях точок і в 1990-х роках ідентифікувалася в Kpts. Глибина пам'яті сучасних осцилографів зазвичай становить від десятків до сотень мегапікселів. Різні виробники заявлятимуть, що їхня продукція має глибоку пам'ять, але при цьому амбітний конкурент може запропонувати до 100 разів більшу. Особливо це стосується осцилографів, які присутні на ринку протягом тривалого часу. Коли ці осцилографи були «молодими», їх глибина пам'яті вважалася глибокої, але порівняно з нинішніми аналогами їх глибина пам'яті зовсім невелика. Багато типів вбудованого обладнання мають великі переваги, будучи тестовані осцилографами з великою пам'яттю.

4.2 Приклади застосування

4.2.1 Необхідність захоплення протягом тривалого часу

Час завантаження джерела живлення є наочним прикладом того, що відбувається за час через сприйняття його людиною. Послідовність увімкнення живлення приладу займає десятки мілісекунд. Тоді як вкл. та вимк. шин напруги не вимагає більш високої пропускної здатності, високошвидкісних послідовних шин передачі та інших систем. Компоненти отримують сигнали, які вимагають аналізу ширшої смуги пропускання паралельно із послідовними подіями залучення значень потужності. Для цього надзвичайно корисна глибока пам'ять осцилографа, що дозволяє захопити достатньо часу з достатньою пропускною здатністю.

4.2.2 Основна причина та її симптоми розділені в часі

Іноді джерело проблеми значно розділений за часом від симптому, що проявив себе. Наявність осцилографа глибокої пам'яті дозволяє командам ізолювати симптом, а потім повернутися до основної причини проблеми.

4.2.3 Необхідність вирішення складних проблем

Глибока пам'ять осцилографа дозволяє швидше вирішувати комплексні проблеми. Електромагнітні перешкоди (EMI), перехресні перешкоди/перехресний зв'язок та пов'язані з ними проблеми можуть вносити негативні фактори у різні частини конструкції обладнання. У окремих випадках той чи інший пристрій задіяє під час роботи всі свої функції, у своїй джерело проблеми має тривалість у мілісекундах чи секундах.

4.2.4 Шини послідовної передачі даних

Шини з низькою швидкістю послідовної передачі даних, такі як I2C, SPI, RS-232, CAN або LIN, часто застосовуються як елементи керування для цифрових схем та обладнання. У багатьох випадках такі шини є причинами змін або певних подій в електронній/електротехнічній системі, крім того вони (шини) використовуються для усунення неполадок і розуміння поведінки об'єкта, що тестується. Хоча протоколи запуску осцилографа на конкретну подію можуть допомогти, проте, для отримання достовірної інформації часто необхідна візуалізація пакетів даних. Два методи візуалізації декількох пакетів, які часто використовуються: зменшення частоти вибірки в осцилографі або перегляд декількох пакетів із сегментованою пам'яттю.

Зменшення частоти вибірки для захоплення даних протягом більшого періоду часу може призвести до ризику недостатньої вибірки в шині послідовної передачі та неможливості правильного запуску розгортки приладу або декодування. Використання сегментованої пам'яті виключає можливість візуалізації подій тригера і часто обмежує можливості аналізу отриманої інформації, оскільки осцилограф може аналізувати пакети тільки в даному сегменті, але не між ними.

4.2.5 Коли необхідний подальший аналіз даних

Деякі додатки вимагають від користувачів збору якомога більшої кількості інформації, а потім ретельного їх аналізу. Такий режим може включати подальші дослідження із застосуванням наявного прикладного інструментарію осцилографа і додатків аналізу. Також передбачено режим вивантаження захоплених даних на спеціалізовану платформу із застосуванням програмних пакетів MATLAB або сценарію Python.

5. Співвідношення пам'яті, частоти дискретизації та смуги пропускання

Хоча багато користувачів вважають глибину пам'яті, частоту дискретизації та смугу пропускання незалежними характеристиками з постійним значенням, проте вони тісно пов'язані.

Пам'ять = (Частота вибірки) ∗ (Час захоплення)

5.1 Захоплення протягом тривалого часу із заданою частотою дискретизації

Час захоплення = Пам'ять / (Частота вибірки)

Малюнок 3. Більше пам'яті означає, що осцилограф здатний захоплювати у більший період при заданій частоті дискретизації.

Багато користувачів прагнуть захоплювати дані протягом певного проміжку часу або протягом якнайбільшого його (часу) проміжку.

При встановленій частоті дискретизації наявність більшого обсягу пам'яті дозволяє користувачеві здійснювати захоплення протягом тривалого інтервалу часу. Ця перевага багаторазово очевидна і оцінена гідно інженерами. Додаткова глибина пам'яті дозволяє користувачам утримувати необхідну частоту дискретизації або навіть вищу, ніж необхідна, що призводить до почуття стійкої впевненості в точності вимірювань, а також забезпечує більшу гнучкість під час реєстрації комбінацій повільних та швидких сигналів.

5.2 Збереження необхідної частоти дискретизації під час захоплення протягом більшого періоду часу

(Частота вибірки) = (Час захоплення) / Пам'ять

Коли користувач встановлює тимчасову розгортку осцилографа на більш повільну, щоб захоплення даних здійснювалося протягом більшого часу, швидкість захоплення залишиться незмінною доти, поки не буде обрана максимальна ємність пам'яті. За межами такої точки захоплення, коли захоплюється під час більшого інтервалу часу, прилад зменшує частоту дискретизації. Налаштування тимчасової бази для захоплення протягом ще більшого часу, відповідно, ще більше знижує частоту дискретизації.

Часто це призводить до того, що результуюча частота дискретизації виявляється недостатньою для номінальної смуги пропускання осцилографа. Сигнали будуть недостатньо оцифровані і може виникнути накладення спектрів. Така ситуація дуже розчаровує, оскільки в цьому випадку жодні результати вимірювань не будуть достовірними. Користувач, який вважає, що смуга пропускання осцилографа становить 1 ГГц, повинен розуміти, що частота частоти дискретизації достатньо тільки для смуги пропускання 1 МГц.

Слід завжди пам'ятати, що осцилограф не повідомляє про те, що в інженера можуть виникнути серйозні проблеми з вимірами. Осцилографи не мають функціями у тому, щоб сповіщати користувачів, коли частота дискретизації недостатня для номінальної лінії пропускання і відбувається, тобто. недостатня вибірка та/або накладення спектрів. Завдання виявлення такої ситуації складніше тих осцилографах, які мають постійно на головному дисплеї індикації частоти поточної дискретизації. Для процесів тестування, в яких є комбінація швидких і повільних сигналів, більший обсяг пам'яті надзвичайно корисний для більш тривалого захоплення з достатньою частотою дискретизації щодо швидких сигналів.

Малюнок 4. Більше пам'яті означає, що пристрій може захоплювати більше часу без зниження частоти дискретизації.

5.3 Взаємозалежності та відносини характеристик

За замовчуванням більшість сучасних осцилографів обмежують обсяг пам'яті, що використовується. Вони роблять це для того, щоб прилад не гальмував при включенні глибокої пам'яті. Наприклад, в одного виробника обмеження пам'яті за замовчуванням становить 10 Кбайт, а в іншого - 10 Мбайт, тоді як у обох таких осцилографів максимальний доступний обсяг пам'яті перевищує будь-яке значення за промовчанням.

Користувачі повинні вручну змінювати налаштування обсягу пам'яті, щоб дозволити приладу використовувати її (пам'яті) більше, ніж встановлена на заводі-виробнику за замовчуванням штучна межа. Для проведення такого роду налаштувань користувачам необхідно увійти в діалогове вікно налаштування збору даних вручну, де вони зможуть контролювати частоту дискретизації. Деякі моделі осцилографів не дозволяють незалежно керувати частотою дискретизації, або осцилограф не дозволяє незалежно керувати розгорткою, частотою дискретизації та глибиною пам'яті.

Це здатне розчарувати користувача, оскільки залежності характеристик осцилографа не досягаються і якось вирішити це завдання не виходить. Осцилографи, які дозволяють незалежно керувати всіма трьома характеристиками, здатні захоплювати дані навіть за кадром, що у певних випадках дуже ефективно якості вимірювань.

6. Сегментована пам'ять

Більшість осцилографів забезпечують режим сегментованої пам'яті як стандартну функцію або як платна опція. Цей режим забезпечує ефективніший алгоритм захоплення сигналів, розділених періодами, тоді, коли сигнал неактивний. Як приклади можна навести шини послідовної передачі даних, аналіз електричних і радіочастотних імпульсів.

Використовуючи сегментовану пам'ять, інженери визначають умову запуску осцилографа та певний обсяг пам'яті для гарантованого захоплення подій тригера. Кожна нова подія запуску збирає невелику кількість даних осцилографа. Період часу між подіями запуску, коли сигнал неактивний, не фіксується і, отже, пам'ять не витрачається. Цей режим дозволяє здійснювати одноразове захоплення протягом більш тривалого часу, ніж це було б можливо при одному безперервному зборі даних.

Малюнок 5. Сегментована пам'ять зберігає лише вікно захоплення щодо тригерного події для більш ефективного витрачання пам'яті в конкретних додатках, де достатньо всього одноразового збору даних. Більше пам'яті означає, що пристрій може мати більше її (пам'яті) сегментів, більшу частоту дискретизації або більше часу для аналізу кожного сегмента.

Хоча сегментований режим дозволяє більш ефективно використовувати пам'ять для збору даних, тут є нюанси:

► Це одноразовий збір даних, який не працює в режимі RUN (Робота).

► Перегляд результатів вимірювання передбачає переміщення кількома екранами збору даних. Аналіз по сегментах часто обмежений або, як мінімум, складніший. Сегментований режим компенсує відсутність глибокої пам'яті.

Переваги глибокої пам'яті для режиму сегментування:

Обсяг пам'яті, доступної кожному сегменту, дорівнює максимальної пам'яті, розділеної кількість сегментів. Осцилограф з більшою глибиною пам'яті має потужнішу сегментовану пам'ять, оскільки він може захоплювати більше сегментів, або кожен сегмент може включати більше часу, або загальна частота дискретизації осцилографа може бути вищою.

Режим тривалого запису даних тестування (історії) тісно пов'язаний із режимом сегментованої пам'яті. Настроювання сегментованого режиму пам'яті здійснюється безпосередньо користувачем. У режимі історії осцилограф автоматично зберігає процес послідовних вимірювань у фоновому режимі, а коли користувач натискає СТОП, він має можливість повернутися та переглянути результати попередніх тестів.

7. Декодування шини послідовної передачі даних та пам'ять.

Шини послідовної передачі даних забезпечують відмінну видимість процесів налагодження та тестування. Осцилографи можуть бути оснащені програмами запуску та декодування шини послідовної передачі даних, що забезпечують вимірювання на рівні пакетів протоколу. Часто дуже складно визначити взаємозв'язок між обсягом пам'яті та кількістю пакетів, які можна захопити. Для кожного протоколу осцилограф повинен підтримувати певну частоту дискретизації для точного декодування цього протоколу, і кожен протокол має унікальну структуру фізично.

Глибока пам'ять із задіяним режимом декодуванням протоколу надає сильне навантаження на обчислювальні ресурси осцилографа. Осцилографи обробляють значні обсяги інформації через протокол, але також осцилографи можуть працювати і повільно через великий обсяг пам'яті і процесу декодування протоколу.

Мал. 6. Осцилографи серії R&S®MXO 4 — перші у світі, які підтримують двоканальний аналіз протоколів. Це нововведення вирішує проблеми з режимами декодування протягом тривалих періодів часу. Окрема область пам'яті для декодування пакетів означає більш гнучку функціональну особливість з чітко визначеною максимальною кількістю пакетів, що перехоплюються.

Сучасні лідери світового ринку осцилографів представляють інноваційну техніку декодування пакетів, коли необхідне захоплення даних протягом тривалого часу. Архітектура таких приладів забезпечує дві ключові переваги, які вирішують багато проблем.

1. Аналіз двох трактового протоколу

1.1. Прилад має дублюючий шлях вибірки для декодування протоколу, що виконує вибірку зі швидкістю, достатньою для широко поширених послідовних шин, таких як I2C, SPI, RS-232, CAN, LIN та інших. Якщо прилад має невисоку за швидкістю тимчасову розгортку і нижчу аналогову частоту дискретизації, він все одно точно запускає та декодує шини послідовної передачі даних. Цей метод дозволяє правильно декодувати велику кількість пакетів навіть за більш низьких параметрів аналогової частоти дискретизації.

1.2. Аналіз двох трактового протоколу зберігає пакети протоколів як пакети. Це має багато переваг. По-перше, база даних для інформації про пакети набагато менша, ніж тривалий режим безперервної реконструкції пакетів, а це означає, що прилад матиме вищу швидкість оновлення та оперативніше реагуватиме. По-друге, прилад має виділену пам'ять для пакетів, що означає, що інженери мають певну кількість пакетів, які можна зберегти.

Мал. 7. Аналіз двох трактового протоколу осцилографом R&S®MXO серії 4 забезпечує точний запуск пакетів та їх декодування, навіть якщо вихідні сигнали шини послідовної передачі мають сильно занижені параметри дискретизації. Це дозволяє інженерам захоплювати більш тривалі ділянки за допомогою послідовного декодування.

8. Висновки

Відносно будь-якого осцилографа пам'ять для збору даних заслуговує на свій ключовий статус специфікацій поряд зі смугою пропускання і частотою дискретизації. Осцилографи з великим обсягом пам'яті забезпечують більшу гнучкість при захопленні даних протягом більш тривалих інтервалів часу, зберігають вищі параметри частоти дискретизації з повільнішою тимчасовою розгорткою, що гарантує точність вимірювань як щодо поточних, так і ймовірних майбутніх потреб при налагодженні електронного та електротехнічного обладнання .

Рекомендації:

При підборі осцилографа обов'язково проведіть (з урахуванням усього вищевикладеного) аналіз заявленого значення глибини пам'яті та вивчіть налаштування, пов'язані з цими заявами, щоб провести еквівалентні порівняння з іншими моделями цього типу приладів. Здатність осцилографа швидко обробляти великий обсяг пам'яті гарантує швидкість реагування приладу на ті чи інші події, а також більш високу його продуктивність у ході різноманітних тестів.

Магазин Gtest® - авторизований постачальник осцилографів в Україну: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/ostcillografy