Лемешко Н.В. (д.т.н., нач. отдела АО «Корпорация «Комета», nlem83@mail.ru)
Горелкин М.В. (инженер по продукту «Осциллографы»
ООО "РОДЕ и ШВАРЦ РУС", Mikhail.Gorelkin@rohde-schwarz.com)
Струнин П.А. (директор департамента продаж
ООО "РОДЕ и ШВАРЦ РУС", Pavel.Strunin@rohde-schwarz.com)
В статье рассматриваются возможности расширенного анализа сигналов на основе измерений с постобработкой, реализуемой при помощи аппаратных и программных опций, функционирующих на базе современных цифровых осциллографов. Выполнен анализ предпосылок развития таких опций, введена их классификация. Дана характеристика охвата практических задач функциональными возможностями опций осциллографов серий R&S RTO и R&S RTP как одних из наиболее совершенных на рынке средств измерений.
Введение
Сегодня осциллография стала привычным спутником практической деятельности инженеров, наладчиков, специалистов сервисных центров. В условиях острой рыночной конкуренции, а также мирового экономического кризиса их труд должен быть сопровождаться минимизацией затрат времени и сопутствующим повышением личной эффективности, что не мыслимо без использования современных средств измерений.
Совершенствование осциллографов, пожалуй, началось в момент их изобретения, и с тех пор ведется темпами, определяемыми научно-техническим прогрессом. Для приборов с электронно-лучевой трубкой одной из первых была реализована модуляция яркости луча внешним сигналом (Z-вход), а общие тенденции состояли и состоят в повышении чувствительности каналов, в расширении полосы рабочих частот и в снижении погрешности измерений. Однако качественный скачек в развитии осциллографов как класса средств измерений произошел тогда, когда они стали реализовывать вторичную обработку результатов измерений, тем самым взяв на себя часть труда пользователей.
К настоящему времени осциллография как таковая, реализуемая на базе современных цифровых осциллографов, всегда сопровождается какими-либо надстройками, номенклатура и функциональность которых постоянно расширяется сообразно потребностям практики. Вместе с тем, ведущие мировые производители средств измерений не ставят перед собой задачу реализовать все возможные виды анализа сигналов на одной аппаратно-программной платформе. Причина этого кроется в необходимости оптимизации стоимости средств измерений: каждый потребитель или лаборатория имеют свою специализацию, и в этой связи избыток функциональности попросту не будет востребован и приведет лишь к финансовым затратам. Поэтому все аппаратные и почти все программные опции за исключением разве что универсальных поставляются как дополнение к базовой комплектации, что позволяет сконфигурировать приборы под решение конкретных задач и в тоже время не исключает будущей модернизации.
Настоящая статья посвящена обзору возможностей расширенного анализа сигналов с использованием аппаратно-программных опций (АПО), функционирующих на базе современных цифровых осциллографов. В качестве таковых мы рассмотрим осциллографы серий R&S RTO и R&S RTP, являющиеся одними из самых функциональных на рынке средств измерений.
Предпосылки развития аппаратно-программных опций на базе осциллографов
Развитие электроники, в первую очередь, цифровой, привело к необходимости анализа сложных сигналов непериодического характера, зачастую формируемых многими независимыми источниками, не предусматривающими каких-либо специальных средств для синхронизации запуска развертки. В этом случае даже простая регистрация машинных слов, сформированных некоторым устройством, представляет собой весьма непростую задачу, если не используются специальные методы автоматического их поиска. Не менее значимым фактором явилась необходимость групповой вторичной обработки нескольких цифровых сигналов параллельных интерфейсов. По сути, каждая из рассматриваемых ниже групп АПО имеет своё обоснование актуальности, следующее из конкретных задач практики, которая и является движущим началом в совершенствовании АПО.
Со стороны средств измерений предпосылками развития АПО являются:
— совершенствование аппаратной платформы, в первую очередь, улучшение характеристик радиотракта осциллографа, которое позволило, например, реализовать функции анализатора спектра на основе быстрого преобразования Фурье при приемлемом уровне отображаемого шума;
— переход к цифровой обработке сигналов, при которой достигается высочайшая гибкость в настройке режимов измерений, в т.ч. вспомогательной обработки в виде фильтрации либо предварительной обработки сигналов, например, реализацией функции Deembedding для учета влияния измерительной оснастки на результат измерений [1];
— переход к программному управлению анализом, дающему возможность задания сложных условий запуска, декодирования сигналов стандартных протоколов, статистической и математической обработки и т.д.
Некоторые проблемы, препятствующие развитию АПО, были решены сращиванием функций осциллографа с другими приборами. Так, например, ранее логические анализаторы традиционно выпускались как отдельные сугубо специализированные средства измерений. В то же время для анализа сигналов в параллельных шинах четырех осциллографических каналов во многих случаях оказывается недостаточно. Учитывая этот факт, логический анализ также стал реализовываться в осциллографах с применением необходимого аппаратного обеспечения, а также единой с основными каналами приборов шкалы времени.
Важнейшим аспектом развития и практического использования опций является запас производительности аппаратных платформ. Так, для сигналов стандарта USB 3.1 gen.1/2 [2] может потребоваться одновременное выполнение нескольких видов анализа с использованием параллельно работающих опций, например, анализ джиттера и декодирование машинных слов. Увеличение производительности аппаратных платформ осциллографов, как и персональных компьютеров, обычно достигается увеличением объема памяти, переходом к более быстродействующим её поколениям и использованием более совершенного центрального процессора. Таким образом, приборы рассматриваемого класса в большинстве случаев имеют значительный потенциал к модернизации.
Классификация опций осциллографов функциональному назначению
Опции для осциллографов, реализующие расширенный анализ сигналов, принято разделять на аппаратно-программные и программные. С учетом реализации преимущественно цифровой обработки подавляющая часть опций является программными и реализуют те или иные алгоритмы вторичной обработки захваченных выборок сигнала.
Обзор рынка средств измерений, а также содержания руководств по эксплуатации современных осциллографов, включая [3, 4], показал, что опции, реализующие расширенный анализ сигналов, например, для приборов серии R&S RTO могут быть классифицированы следующим образом.
1. Опции, повышающие качество отображения осциллограмм. В цифровых осциллографах отображение осциллограмм выполняется на основе массивов выборок, сформированных по результатам аналого-цифрового преобразования. Разрешение по уровню будет тем выше, чем больше разрядность АЦП, причем повышение разрешения за счет разрядности осуществляется на основе цифровой фильтрации с уменьшением полосы пропускания. Возникают и другие функциональные ограничения. Так, например, работа опции высокого разрешения R&S RTO-K17 при увеличении разрешения до 16 бит сопровождается почти двукратным увеличением объема данных при экспорте осциллограмм, уменьшением полосы пропускания в типовом случае до значений 50…100 МГц, сокращением возможностей по архивации данных, недоступностью режима записи IQ-составляющих (опция R&S RTO-K11). Однако режим высокой четкости позволяет выявить такие особенности сигналов, которые при обычном разрешении скрыты шумами квантования по уровню, и хорошо зарекомендовал себя, например, при измерениях сигналов с крайне низким индексом амплитудной модуляции и для детального исследования формы импульсов в радарных приложениях.
2. Опции зонального запуска развертки, позволяют анализировать сигналы сложных форм, для которых запуск по классическим условиям не дает требуемого результата. В наиболее распространенных случаях условия запуска развертки задаются пользовательскими масками, в которых осциллограмма должна либо не должна находиться. Режим зонального запуска реализует, например, опция R&S RTO-K19, допускающая задание зон в табличном, графическом либо формульном варианте и во многом родственная широко распространенной функции тестирования по маске.
3. Опции анализа смешанных сигналов реализуют функции логического анализатора на аппаратной базе осциллографа. Такие опции являются аппаратно-программными. В отличие от обособленной реализации, такое решение позволяет, например, использовать условия запуска по параллельному коду и реализовывать измерения цифровых сигналов при нехватке основных каналов осциллографа. Примером является опция R&S RTO-B1, которая может иметь до 16 логических входов, причем каждый из них может использоваться как источник сигналов при анализе протоколов передачи данных.
4. Опции анализа цифровых интерфейсов, шин и протоколов передачи данных являются наиболее распространенными и предназначены для декодирования машинных битовых слов, сформированных в соответствии со стандартными протоколами передачи данных. Все такие опции являются программными и реализуют алгоритмы декодирования, определяемые соответствующими стандартами.
5. Опции анализа спектра, позволяющие выполнять анализ сигналов в частотной области. Они реализуется в дополнение к базовой функции анализа на основе быстрого преобразования Фурье, но имеют менее жесткие ограничения в части установки настроек спектрального анализа. Примером является программно-аппаратная опция R&S RTO-K18.
6. Опции записи сигналов, реализующие сохранение выборок для последующего анализа в MATLab либо других математических пакетах, а также для воспроизведения с использованием векторных генераторов. Примером является опция программного интерфейса I/Q R&S RTO-K11.
7. Опции анализа джиттера и восстановления тактового сигнала (ВТС) применяются для оценки временных вариаций амплитуды и битовых интервалов цифровых сигналов, выполняемой на основе высокоточного восстановления опорного сигнала. Они позволяют оценивать достаточность качества цифровых сигналов заданных стандартов для восстановления передаваемой информации, например, на основе глазковых диаграмм [5]. В качестве примеров таких опций можно отметить R&S RTO-K12 и R&S RTO-K13.
8. Опции анализа параметров электропитания используются для определения входных, выходных и передаточных характеристик импульсных и линейных источников вторичного электропитания [6]. В качестве примера может быть рассмотрена опция R&S RTO-K31, для которой измерения предваряются компенсацией временного смещения между пробниками для минимизации погрешности измерений.
9. Опции испытаний на соответствие стандартам предназначены для комплексного тестирования устройств. При этом тестирование на уровне протокола и на уровне стандарта принято различать, поскольку второе имеет более широкий охват и не может быть заменено первым. Так, например, для осциллографов серии R&S RTO в приложении к тестированию устройств USB2.0 разработаны опции R&S RTO-K60 (уровень протокола) и R&S RTO-K21 (уровень стандарта), и для последней предусмотрено использование специальной измерительной оснастки, обеспечивающей регламентированные условия тестирования.
10. Опции исключения влияния измерительной цепи являются новым достижением в сфере временного анализа сигналов [4, 7]. Они позволяют использовать характеристики измерительной оснастки для исключения её влияния на результаты измерений путем их учета непосредственно при цифровой обработке сигналов в осциллографах. Такая функция (Deembedding) может быть реализована в осциллографах R&S RTP на программном (опция R&S RTP-K121) или аппаратном (опция R&S RTP-K122) уровне и позволяет переносить измерительное сечение в требуемое место схемы измерений. Описание собственных свойств измерительной оснастки может быть получено экспериментально с использованием векторных анализаторов цепей типа R&S ZVA.
Важно подчеркнуть, что помимо опций, реализующих возможности по расширенному анализу сигналов, существуют и другие, предоставляющие полезные возможности для отладки электронных устройств, но не относящиеся к рассматриваемой группе. Примером является аппаратная опция R&S RTO-B6, которая реализует функции двухканального генератора сигналов произвольной формы и формирователя битовых последовательностей. Её применение в осциллографах серии R&S RTO позволяет проводить многие виды измерений без привлечения дополнительных средств измерений. Это все более приближает осциллографы к воплощению концепции универсального средства для сервисного обслуживания и отладки электронных устройств.
Помимо предложенных для опций классификационных признаков, могут использоваться и другие, не базирующиеся их функциональности.
Охват практических задач функциональными возможностями опций осциллографов серий R&S RTO и R&S RTP
Функциональные возможности опций, реализующих расширенный анализ сигналов, в целом были охарактеризованы выше, однако они не дают полного представления о сферах потенциального применения. Для того, чтобы определить, какие измерительные задачи могу решаться при помощи опций, необходимо рассмотреть номенклатуру опций для конкретных серий осциллографов, в качестве которых рассмотрим приборы высшего класса —R&S RTO и R&S RTP. Сводка опций для них представлена на рис. 2.
Для охвата той или иной практической задачи соответствующей автоматизацией измерений необходимо выполнение некоторых условий. В частности, для её решения должен иметься однозначный алгоритм, а сама задача не должна являться слишком частной, иначе это крайне ограничит потребность в таком решении. По этим причинам большая часть опций относится к анализу цифровых протоколов, шин и стандартов передачи данных, т.е. к измерительным задачам, решение которых опирается на соответствующие широко распространенные стандарты. Если говорить об опциях R&S RTO-K50/RTP-K50, предназначенных для декодирования машинных слов пользовательских протоколов, то они требуют существенно большего объема настройки, чем для стандартных протоколов. На этапе подготовки к измерениям пользователь должен, по сути, задать формат всех используемых машинных слов, в минимально достаточном объеме определив их битовый состав.
Как следует из рис. 2, номенклатура опций для осциллографов серий R&S RTO и R&S RTP позволяет решать следующие практические задачи:
— отладка цифровых устройств, включая поиск схемотехнических и программных ошибок и
— отладка цифро-аналоговых устройств с одновременным анализом аналоговых и цифровых сигналов;
— тестирование компонентов и устройств по принципу «годен/не годен»;
— испытания на соответствие стандартам;
— комплексное тестирование источников вторичного электропитания;
— тестирование электронных узлов и компонентов, функциональность которых в целом совпадает с аналогичной для отдельных опций.
Рис. 2. Номенклатура опций для осциллографов серий R&S RTO и R&S RTP,
реализующих расширенный анализ сигналов
Вместе с тем, реализация расширенного анализа имеет и свои ограничения. В большинстве случаев в конкретный момент времени используется одна из опций; задействование аппаратных ресурсов может исключать возможность одновременной их работы. Некоторые опции блокируют штатную работу некоторых узлов осциллографа. Так, например, при активации опции ВТС R&S RTO-K13 при аппаратной её реализации один из осциллографических каналов не может быть задействован, поскольку на него через внутренние цепи прибора подается сформированный аппаратным модулем тактовый сигнал. Собственно осциллографический анализ, маркерные и курсорные измерения, использование быстрого преобразования Фурье, выполнение математических операций каким-либо ограничениям при использовании опций, как правило, не подвергаются.
Заключение
Современные цифровые осциллографы наряду с классически анализом во временной области способны реализовывать расширенный анализ сигналов, включая декодирование и автоматизированные измерения. Использование соответствующих опций позволяет повысить эффективность работы инженеров при отладке и сервисном обслуживании изделий электронной техники самого разнообразного назначения. При этом функции поиска информации в захваченном потоке данных исключает их длительную вторичную обработку пользователем.
Важно отметить, что работа с опциями, выпускаемыми для осциллографов, не требует специальной инженерной подготовки, поскольку сопровождается минимальным объемом настроек при интуитивно понятном интерфейсе. Реализация альтернативных способов обработки захваченной осциллографами первичной информации, например, реализуемых в MatLAB, оказываются куда более нетривиальной и затратной по времени.
Литература и ссылки
1. Realtime deembedding with the R&S®RTP. — Application Card | Version 01.00.
2. Universal Serial Bus 3.2 Specification. Rev.1, 22.09.2017. — Интернет-ресурс http://www.usb.org (дата обращения 01.07.2020).
3. Осциллографы цифровые R&S RTO. Руководство по эксплуатации. v.06. —1332.9725.02 — 1086 с.
4. Осциллографы цифровые R&S RTP. Руководство по эксплуатации. v.01. — 1337.9952.02 — 856 с
5. Кечиев Л.Н. Печатные платы и узы гигабитной электроники. — М.: Грифон, 2017. — 424 с.
6. Лемешко Н.В. Анализ динамических характеристик нагрузок и параметров источников вторичного электропитания с использованием осциллографов R&S RTO. — Электронные компоненты, № 10, 2014. — с. 24-28.
7. Лемешко Н.В., Струнин П.А., Горелкин М.В. Функция Deembedding в осциллографах R&S RTP: учёт и компенсация амплитудно-фазовых искажений для пробников и измерительной оснастки. — Современная электроника, №1, 2020. — с. 48-54.
