Що таке тригер осцилографа? Чому він настільки критичний для вимірювань

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

Практичне застосування

ВИБІР Осцилографа: ЧОМУ ВАЖЛИВИЙ ЦИФРОВИЙ ЗАПУСК на подію vs аналоговий запуск

Продукти:

► SDS1104 Осцилограф

► SDS3204E Осцилограф

► SDS1152CML+ Осцилограф

► MDS-2152 Осцилограф

1. Загальні відомості

Тригер осцилографа визначає точний момент часу, коли цей прилад фіксує критично важливі події, що становлять інтерес. Запуск на подію часто не береться до уваги як ключовий параметр вибору осцилографа до тих пір, поки прилад не буде придбаний. Осцилографи з чудовими параметрами запуску та функціональністю дають інженерам та розробникам велику перевагу у вигляді швидкого та ефективного налагодження та тестування електронного та електротехнічного обладнання. Чудова система запуску здатна заощадити масу часу за допомогою ізолювання подій, що важко виявляються, що дозволяє інженерам реалізовувати проекти більш якісно і точно.

Інженери звертають пильну увагу і порівнюють характеристики найважливіших специфікацій осцилографів, такі як смуга пропускання, довжина запису і частота дискретизації. Порівняльна оцінка точності та якості активації тригерів може виявитися значно більш важкою. Традиційний запуск осцилографа на певну подію заснований на аналоговій схемі, в якій сигнал сегментується на тракт даних, що містяться в ньому, і окремий тракт для запуску розгортки. Сучасні архітектури осцилографів містять один тракт, загальний як сигналу, так запуску. Такі один трактовий підхід називається цифровим запуском. Цифровий тригер має безліч переваг у порівнянні з давно застосовуваними алгоритмами аналогового тригера.

Ця стаття передбачає:

1. Тлумачення аналогових та цифрових архітектур запуску.

2. Переваги тригера із цифровим запуском

3. Як визначити подію цифрового або аналогового тригера

2. Історія технології цифрового запуску

Задля справедливості слід зазначити, що саме компанія Rohde & Schwarz в недавньому минулому запатентувала перший варіант цифрового запуску осцилографа на подію і вперше застосувала його у своїх моделей R&S RTO1000. Цифровий запуск став критично важливою функцією у нових сімействах осцилографів R&S, включаючи всі моделі серій R&S®MXO, RTE, RTO2000 та RTO6, а також моделей серійного ряду RTP. На світовому ринку контрольно-вимірювального обладнання переважна більшість осцилографів, що реалізуються, задіяні виключно аналогові тригери. Тим не менш, найвідоміші бренди-виробники осцилографів, крім R&S, зуміли (і з успіхом) продемонструвати деякі свої моделі, що включають певні цифрові елементи запуску.

3. Цифрові та аналогові архітектури

Осцилографи з аналоговою архітектурою запуску сегментують вхідний сигнал на тракти даних та окремий тракт для активації запуску. Схема тригера виділено окрему складову від тракту даних. Користувачі не мають змоги бачити сигнал запуску на дисплеї осцилографа. Схема аналогового тригера здійснює оцінку захопленого сигналу. Слід зазначити, що осцилографи можуть включати деякі додаткові другорядні фільтри на тракті запуску, як наприклад, фільтр ВЧ для усунення шумів на цьому тракті. Фільтри, задіяні на трасі запуску, мають відмінності від більш широкого і функціонального набору фільтрів, що задіяні в режимі постобробки даних, які, проте, можна застосовувати на шляху сигналу. Схема аналогового тригера може бути реалізована у вигляді ASIC (інтегральна схема спеціального призначення) або FPGA (пристрій програмованої логіки) або у вигляді окремих готових компонентів.

Малюнок 2. Функціонал цифрової схеми проти функціоналом аналогової схеми.

В осцилографах з архітектурою цифрового запуску тракт сигналу та тракт запуску однакові. Події запуску активуються після АЦП. У цьому випадку користувачі можуть бачити сигнал запуску на екрані осцилографа, оскільки цей сигнал збігається з сигналом тракту передачі даних. Фільтри після збору даних, як інтерполяція, смугова фільтрація і вилучення сигналу, можуть бути задіяні в реальному часі ще до того, як осцилограф оцінить умову запуску.

Мал. 3. В осцилографів серії R&S®MXO 4 ASIC R&S®MXO-EP (Extreme Performance) є спеціальний блок цифрового запуску. 28-нм CMOS ASIC, що має понад 36 мільйонів транзисторів і здатний обробляти 200 Гбіт/с.

4. Переваги режиму цифрового запуску

4.1 Підвищена чутливість тригера

Чутливість запуску осцилографа визначається мінімальною амплітудою сигналу, що визначає правильність цього запуску. Залежно від моделей осцилографів на їхньому дисплеї присутні маркери сітки, які розділяють екран по вертикалі на 8 або 10 поділів. У технічних специфікаціях осцилографів зазначено кількість поділів по вертикалі, які вказую на амплітуду сигналу, щоб схема запуску могла гарантувати правильну ідентифікацію цієї події.

Таким чином, для осцилографів з встановленою чутливістю запуску 1 розподіл вертикалі при встановленому значенні 100 мВ/поділ, сигнал запуску, такий як фронт, повинен мати амплітуду не менше 100 мВ, щоб гарантовано активувати належний запуск розгортки осцилографа. На осцилографах з 8 поділами по вертикалі один поділ становить 12,5% від вертикальної шкали повного екрану, тому один поділ буде відповідати амплітуді 125 мВ. На деяких моделях осцилографів чутливість запуску не є єдиною характеристикою, а залежить від масштабу по вертикалі (В/справ), так і від смуги пропускання та режиму тригера.

Малюнок 4. Чутливість тригера визначається необхідною амплітудою сигналу, яка вимірюється у вертикальних поділах, яка необхідна осцилографу для того, щоб гарантувати, що сигнал буде виявлений як подія тригера.

Цифрові тригери можуть запускати сигнали із значно меншою амплітудою порівняно з аналоговими тригерами. Чому це важливо? Чудова чутливість тригера дає користувачам перевагу використовувати такий тригер для ігнорування слабких сигналів за наявності сильних.

Розглянемо приклад. Осцилографи серії R&S®MXO 4 мають чутливість запуску 0,0001 поділу. Якщо прилад налаштований на 10 мВ/діл, повна висота по вертикалі складе 100 мВ. Що важливо, так це те, що осцилограф здатний запускати по 1/10000 від 100 мВ або сигналу з амплітудою 10 мкВ. Для сигналів з невеликою амплітудою неминуче присутні шуми вимірювання здатні маскувати форму сигналу. Режим HD (висока роздільна здатність) на осцилографах R&S має алгоритм компромісу між смугою пропускання і меншим шумом, а сигнал HD подається на тригер, що дозволяє активувати тригер при таких маленьких змінах амплітуди.

Мал. 5. Режим цифрового тригера осцилографів забезпечує найвищу у світі чутливість запуску таких приладів, що становить всього 0,0001 поділу. Це дозволяє одночасно ігнорувати на екрані приладу події, що мають дуже малу амплітуду в порівнянні з більшою амплітудою сигналу.

4.2 Управління гістерезисом з боку користувача

Користувачі визначають поріг запуску тригера і можуть контролювати значення через обертання відповідної ручки або встановлюючи рівень спрацьовування в діалоговому вікні. Коли сигнал проходить виставлений поріг, він обов'язково повинен перевищити пороговий рівень на певну амплітуду, щоб осцилограф зафіксував цю зміну як подія запуску. Гістерезис тригера - це додаткова величина амплітуди, що перевищує зазначений поріг тригера.

Малюнок 6. Усі налаштування осцилографа мають граничну величину налаштування, яка сегментує низький рівень тригера від високого. Для таких режимів запуску як фронт гістерезис визначає мінімальну амплітуду, яку повинен перейти сигнал, щоб його можна було розпізнати як подію запуску. Гістерезис корисний для забезпечення того, щоб осцилограф не спрацював як по шумах середовища вимірювань, так і по шуму сигналу.

Для осцилографів з аналоговим тригером гістерезис встановлюється за замовчуванням виробником і не регулюється користувачем, або, як варіант, може бути налаштований на кілька встановлених значень. Для більш сучасних осцилографів з цифровими тригерами амплітуда гістерези може автоматично встановлюватися паралельно з налаштуваннями, ідентичними налаштувань їх аналогових побратимів. Крім того, величини гістерези цифрового тригера коригуються у відповідності з конкретними відносними та/або абсолютними значеннями, що налаштовуються користувачем. Регульований користувачем гістерезис дозволяє встановлювати високі значення, щоб унеможливити помилкові спрацьовування через шум, або встановлювати низькі значення для запуску при ледве помітних змінах амплітуди сигналу.

Мал. 7. За допомогою цифрового тригера користувачі мають можливість регулювати гістерезис як відносне чи абсолютне значення. Така гнучкість дозволяє запускати розгортку різні ділянки сигналу, які аналогові тригери що неспроможні легко ігнорувати.

4.3 Розширений діапазон фільтрів

Всі осцилографи, присутні на світовому ринку, зазвичай мають різні фільтри для аналізу сигналів. Як приклад можна навести фільтри обмеження смуги пропускання. Такі фільтри можуть бути реалізовані на аналоговому вимірювальному обладнанні з використанням алгоритмів DSP (зазвичай FPGA) або на рівні програмного забезпечення. В осцилографах з аналоговою архітектурою тригера фільтри сигнального тракту не розпізнаються схемою тригера. В осцилографах з архітектурою цифрового запуску фільтри можна застосовувати або щодо цифрового тригера, або сигналу для перегляду даних та їх аналізу, або до обох варіантів. Перевага полягає в тому, що те, що видно на осцилографі, ідентично тому, що розпізнає тригер.

Малюнок 8. Осцилографи з аналоговими тригерами застосовуються для вилучення сигналу, що тільки відображається, а не до тригера. В осцилографі R&S RTP вилучення в реальному часі застосовується перед запуском, що дозволяє запускати той самий сигнал, який користувачі бачать на екрані осцилографа.

4.4 Режим HD у застосуванні до тригера

Для сигналів мінімальної амплітуди шуми осцилографа підставляють серйозну загрозу, т.к. вони можуть маскувати такий сигнал як аналізу, так запуску розгортки. Осцилограф не здатний здійснити запуск малого сигналу, амплітуда якого прихована шумами вимірювальної системи приладу. Більшість осцилографів мають режим збору даних, який дозволяє встановити компроміс між смугою пропускання і роздільною здатністю по вертикалі. Загальні назви цього режиму згадуються як режим високої роздільної здатності, eRes або HD. Для високої роздільної здатності (HD) рухомий фільтр усереднює паралельні вибірки, тим самим знижуючи ефективну частоту дискретизації, але збільшуючи роздільну здатність по вертикалі. Для осцилографів з аналоговим запуском HD застосовується виключно до тракту сигналу, а не тракту запуску.

Для осцилографів із цифровим запуском режим HD (висока роздільна здатність або чіткість) встановлює аналогічний компроміс між смугою пропускання і роздільною здатністю по вертикалі за рахунок застосування фільтра на основі DSP. Режим HD здатний гарантувати роздільну здатність тригера до 18 біт, крім того, має додаткову цінність у вигляді придушення шумів як результат зменшення смуги пропускання. Цей метод значно знижує шуми вимірювання системи та підвищує чутливість тригера до більшої величини, що описано вище. Режим HD можна застосовувати вже на частоті 1 кГц зі збільшеною роздільною здатністю запуску до 18 біт.

Мал. 9. На відміну від осцилографів з аналоговим запуском, архітектура цифрового запуску R&S дозволяє застосовувати режим HD в реальному часі як до сигналу, що переглядається, так і до тригера.

4.5 Інтерполяція

Оскільки аналогові архітектури поділяють частину сигналу для створення тракту запуску, шлях запуску має аналогове значення, яке аналогова схема розпізнає з усіма обмеженнями в установках порогових значень і смузі пропускання. Тригер цих аналогових схем зазвичай має пороговий діапазон з великим збільшенням горизонтальної складової. Наприклад, параметри порога запуску розгортки можуть бути обмежені кроком 100 мВ.

Для цифрових тригерів користувачі мають можливість встановити будь-яке граничне значення, якщо воно знаходиться в межах налаштованого вертикального діапазону і, отже, відображається на екрані осцилографа. Це з тим, що архітектура цифрового запуску оцінює сигнал після АЦП і обмежена смугою пропускання. Оскільки інформація є цифровою, осцилограф також здатний приймати рішення на основі інтерполяції між точками вибірки, щоб ізолювати найдрібніші деталі, тим самим регулюючи поріг спрацьовування та чутливість тригера.

Малюнок 10. На відміну від аналогових побратимів, цифрові тригери здатні використовувати інтерполяцію між точками вибірки, щоб виключити області, які інакше, були б сліпі для запуску. Це призводить до підвищення чутливості тригера до величини 0,0001 справ.

4.6 Зменшення джиттера тригера

Осцилографи з аналоговими тригерами страждають від більшого джиттера тригера, ніж осцилографи з цифровими тригерами. Для аналогових тригерів, оскільки шлях запуску і шлях сигналу різні (що йшлося на самому початку), при виявленні події запуску в тракті тригера, осцилограф повинен визначити точний час шляху проходження сигналу, яке має відповідати настройкам. При послідовних вимірах користувачі обов'язково звернуть увагу на деяке тремтіння тригера. Деякі виробники осцилографів передбачають корекцію джиттера запуску на програмному рівні. Цей метод добре працює для зменшення джиттера тригера, але вимагає ряду циклів обробки інформації, що уповільнюють час повторного включення тригера та загальну швидкість оновлення екранних зображень осцилографа.

Малюнок 11. Осциллографи з цифровим запуском мають мінімальний джиттер запуску.

5. Цифровий чи аналоговий тригер: як відрізнити?

Більшість тригерів у сучасних осцилографів є аналоговими. Якщо це спеціально не вказано в технічній документації приладу, осцилограф, швидше за все, використовує застарілу технологію аналогового запуску. Необхідно з'ясувати у виробника осцилографів, чи конкретний осцилограф має цифровий або аналоговий запуск. Крім того, при достатньому досвіді користувача, кілька пунктів у таблиці даних приладу, що його цікавить (користувача) дозволяють зробити обґрунтовану оцінку.

► Чутливість запуску: якщо чутливість запуску менше 0,1 справ, архітектура запуску осцилографа цифрова. Аналогові тригери не здатні мати таку чутливість.

► Керування гістерезисом: якщо прилад дозволяє встановлювати широкий діапазон величин гістерезису тригера, від найбільшого до найменшого (тобто від 5 поділів до 0,01 поділу), це цифровий тригер. Аналогові тригери не мають здатності вибирати з декількох встановлених умов, відповідно, користувачі не мають повного контролю над гістерезисом.

6. Висновок

Цифрові алгоритми запуску мають низку безперечних переваг, яких у старих технологіях аналогового запуску. Розуміння цих характеристик допомагає визначити, наскільки важливими є ці переваги при виборі осцилографа. Також слід враховувати, що алгоритм цифрового запуску розгортки – останнє слово в сучасному приладобудуванні, піонером якого, безперечно, є компанія Rohder&Schwarz.

Користувачам залишилося тільки визначити для себе наскільки йому важлива ця технологія у вирішенні його (користувача) поточних завдань, бо осцилографи з цифровим запуском істотно дорожчі за чудові за своїми параметрами сучасних осцилографів з аналоговим запуском.

Якщо не стоять завдання неймовірно складних розробок електронних схем, то стара добра схема аналогового тригера в сучасних цифрових осцилографах більш ніж достатня.

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