ВИКОРИСТАННЯ DSP ДЛЯ ПОКРАЩЕННЯ ШВИДКОДІЇ

В ідеалі вимірювальне обладнання повинно мати імпульсні характеристики (зокрема час наростання перехідної характеристики) значно кращі, ніж у досліджуваного пристрою. При роботі над системами з послідовним інтерфейсом останнього покоління, що мають час наростання імпульсу близько 30 пс (від 20% до 80% від значення), виконати подібну вимогу стає дуже важко. Для вирішення цієї проблеми більшість сучасних цифрових осцилографів використовують цифрову обробку сигналу. При цьому застосовують нові методи обробки - нормалізація, згладжування амплітуди, фазова корекція або рекомбінаційна обробка сигналу. У статті розглядаються випадки, коли ці методи використовуються найвигідніше.

Поліпшення АЧХ

В ідеалі АЧХ осцилографа має бути плоскою на всіх частотах починаючи з постійного струму і до найбільшої робочої частоти, а потім мати плавний спад. Вихідна АЧХ аналогової частини, показана на рисунку 1 червоною лінією, відповідає цим вимогам в діапазоні частот до 12 ГГц. Оскільки вихідна АЧХ залежить від роботи DSP, на частотах до 12 ГГц можна використовувати будь-які частоти вибірки, а не лише 40 Гвиб/с, тобто максимально можливі для цього осцилографа. Однак сплощення АЧХ і фазова корекція за допомогою DSP, результат роботи якого показаний на тому ж малюнку синьою лінією, забезпечують кілька переваг щодо реальних високочастотних сигналів.

Рисунок 1 - Вихідна та скоригована АЧХ осцилографа Tektronix TDS6154C

Максимальна робоча частота осцилографа

Щоб проаналізувати придатність осцилографа для дослідження високошвидкісних сигналів, Говард Джонсон використовує поняття частоти зрізу, яку визначає як частоту, нижче за яку сконцентрована основна енергія імпульсу. Відповідно, необхідну смугу пропускання осцилографа можна обчислити за формулою:

F_max = 0,5 / T_н

де T_н - час наростання імпульсу від 10% до 90% від усталеного значення.

Осцилограф із плоскою АЧХ та лінійною ФЧХ відображатиме імпульси з таким часом наростання без спотворень. З цієї формули випливає, що осцилограф зі смугою 15 ГГц буде здатний точно відобразити імпульс з часом наростання 33 пс.

Оскільки такі небажані ефекти, як викиди і дзвін, виникають лише за малих тривалостей фронтів імпульсів, деякі вважають припустимим затягування фронтів до 35% від тривалості імпульсу і навіть більше. Дані у двійковому форматі NRZ (без повернення до нуля) зі швидкістю передачі 6,25 Гбіт/с будуть у цьому випадку мати час наростання 56 пс. Згідно з формулою, це відповідає смузі пропускання осцилографа 9 ГГц.

Послідовні інтерфейси працюють у широкому діапазоні швидкостей передачі. Недоцільно використовувати для кожної швидкості передачі даних свій тип драйвера лінії зв'язку. Наприклад, драйвер, який використовується для передачі даних зі швидкістю 8,5 Гбіт/с, можна використовувати і для передачі даних зі швидкістю 5 Гбіт/с. У процесі оновлення обладнання, навіть за збереження швидкості передачі даних, час наростання може значно зменшитися.

У результаті мінімальний час наростання може бути значно меншим, ніж 35% від тривалості імпульсу. Наприклад, для модуля пам'яті FB-DIMM при швидкості передачі даних 3,2 Гбіт/с мінімальний час наростання становить лише 30 пс, або 15% тривалості імпульсу. При дослідженні подібних сигналів осцилограф повинен мати значно ширшу смугу частот для забезпечення достовірності вимірювань.

Рисунок 2 - Невідфільтрований сигнал Avantest BERT. На перехідній характеристиці осцилографа зі смугою 12 ГГц помітні викиди та відсутність затягування фронтів при сигналі з часом наростання 25 пс

На рисунку 2 наведена осцилограма сигналу передачі зі швидкістю 6,25 Гбіт/с з часом наростання 25 пс (від 20% до 80%), що відповідає 33 пс при переході від 10% до 90%. Згідно з формулою, осцилограф для дослідження таких сигналів повинен мати плоску АЧХ та лінійну ФЧХ у діапазоні частот до 15 ГГц. Таким чином, осцилограф з характеристиками, наведеними на рисунку 1, не підходить для цієї мети.

Рисунок 3 - Розширення смуги пропускання до 15 ГГц за рахунок включення корекції дає мінімальні викиди та затягування фронтів навіть за часу наростання 25 пс

Однак якщо розширити частотний діапазон приладу за рахунок цифрової обробки сигналу, стане можливим використання цього осцилографа для точних вимірювань навіть при мінімальних значеннях часу наростання фронтів імпульсів. У даному випадку покращення досягається за рахунок збільшення амплітуди сигналів з частотою менше 17 ГГц і одночасного зменшення її на частотах вище 17 ГГц.

За рахунок точної корекції амплітудно-частотних і фазочастотних характеристик вдається уникнути перерегулювання та дзвону без затягування фронтів навіть за їх тривалості 25 пс при прямому захопленні вихідного сигналу Avantest BERT без додаткової фільтрації.

Методи покращення характеристик осцилографа Tektronix TDS6154C

Метод покращення характеристик осцилографів серії TDS6000C базується на використанні фірмової технології FIR-фільтрації. Цей метод вимагає ретельного калібрування у процесі виготовлення приладу.

Обчислення коефіцієнтів у процесі калібрування ґрунтується на вимірюванні відгуку осцилографа окремо для кожного каналу та кожного положення атенюатора. Ці коефіцієнти використовуються для корекції частотних характеристик під час роботи осцилографа.

Результатом корекції, відомої як вирівнювання каналів, стає майже точний збіг амплітудних і фазових характеристик усіх каналів вимірювання. При необхідності користувач може вимкнути цю корекцію.

Коли виправдано ввімкнення режиму корекції

Якщо спектр сигналу укладено в межах максимальних робочих частот осцилографа, включення режиму корекції дає такі переваги:

• більш точний калібрований по амплітуді відгук разом із лінійним фазовим зсувом;
• можливість точнішого порівняння сигналів у різних каналах завдяки індивідуальному калібруванню;
• точніше відображення форми сигналів, особливо з часом наростання понад 42 пс;
• зменшення тремтіння, викликаного обмеженою смугою пропускання;
• покращення результатів спектрального аналізу та FFT-вимірювань.

Коли не слід використовувати режим корекції смуги частот або інші типи обробки сигналів

Існують ситуації, коли застосування цифрової обробки сигналів може негативно вплинути на результати вимірювань:

• якщо користувач використовує власний алгоритм обробки сигналів;
• при використанні спеціальних режимів осцилографа для розширення динамічного діапазону або масштабування сигналу;
• при застосуванні частотного чергування каналів для перекриття необхідної смуги частот;
• якщо певні апаратні функції несумісні з окремими видами цифрової обробки сигналів.

Висновок

Ретельно опрацьовані методи цифрової корекції можуть значно розширити можливості користувача під час проведення високочастотних вимірювань. При цьому основою успішного застосування цифрової обробки повинна бути широка вихідна смуга частот, яка досягається завдяки використанню високоякісних аналогових рішень.

Незважаючи на всі переваги цифрової корекції амплітудно-частотних та фазочастотних характеристик, існують ситуації, коли її доцільно вимикати. Саме можливість відключення схем цифрової обробки сигналів є однією з важливих переваг осцилографів Tektronix серії TDS6000.

Анотація

У статті висвітлено питання застосування корекції характеристик цифрових запам'ятовуючих осцилографів із використанням DSP-технологій.

купити осцилограф в Україні