Rzadko występujące problemy i sygnały zakłócające są trudne do wychwycenia. Oscyloskopy R&S RTO pozwalają na akwizycję i szczegółową analizę tych sygnałów dzięki trybowi historii. Tryb historii pozwala użytkownikowi obejrzeć poprzednie akwizycje i zastosować szeroką gamę funkcji analizy oscyloskopu. Ponadto tryb ten przechowuje precyzyjnie określone czasy rejestracji przebiegów w kolejnych analizach.

1. Wprowadzenie

Oscyloskopy cyfrowe są niezbędnym narzędziem podczas testowania i wykrywania błędów w systemach elektronicznych dzięki swym bogatym możliwościom. Od najbardziej zaawansowanych oscyloskopów wymagane są najwyższe częstotliwości próbkowania, lepsze rozdzielczości i większe pamięci mieszczące dłuższe okresy sygnału. Dodatkowym wyzwaniem jest zdolność do akwizycji zdarzeń rzadkich, losowych lub nieprzewidywalnych. Zdarzenia te zazwyczaj trwają tylko krótką chwilę i występują w dużych odstępach czasu. Aby zarejestrować taki zdarzenie z wystarczającą ilością szczegółów, potrzebna jest wysoka rozdzielczość i długi czas akwizycji. Te dwa wymagania oznaczają konieczność stosowania bardzo dużej pamięci próbek.

Aby spełnić te wymagania, oscyloskopy RTO oferują tryb historii. Gdy akwizycja zostaje zatrzymana, pozwala on przeglądać poprzednie przebiegi – bez względu na to, czy zatrzymanie było wynikiem decyzji użytkownika, przerwaniem pomiaru lub przekroczeniem obszaru maski.

• Najważniejszym zastosowaniem trybu historii RTO jest testowanie i wykrywanie błędów w systemach elektronicznych. Współczesne systemy są złożone i niełatwe w testowaniu ze względu na duże prędkości sygnałów w połączeniu z ich małą amplitudą i niewielkim rozmiarem samego układu. W szczególności na układy cyfrowe wpływ mają rzadkie błędy. Skutki tych błędów mogą prowadzić do uszkodzenia sprzętu, wyłączenia z pracy i konieczności resetu, a także pogorszenia wydajności.
• Innym przykładem zastosowania trybu historii RTO jest analiza rzadkich zdarzeń w obszarach takich, jak fizyka nuklearna lub cząstek wysokich energii, lasery impulsowe czy radary impulsowe. Zdarzenia fizyczne są przetwarzane na sygnały elektryczne, ale ich występowanie nie musi być przewidywalne. Tym niemniej występują one w postaci ciągu zdarzeń, więc wszystkie muszą zostać zarejestrowane wraz z dobrze określonym czasem wystąpienia.

Poza dwoma wymienionymi przykładami, w których korzyści z wykorzystania trybu historii są oczywiste, tryb ten może być pomocny także w wielu innych sytuacjach.

Gdy tryb historii jest aktywny, pozwala na kompletny dostęp do poprzednich akwizycji. Użytkownik może zastosować każdą z dostępnych w RTO funkcji analizy do każdego zarejestrowanego przebiegu. Funkcje te to między innymi powiększenie i kursory, przeszukiwania, operacje matematyczne, dekodowanie protokołów, testy z maską i funkcje pomiarowe.

W przypadku powtarzających się sygnałów występujących w dużych odstępach czasu, oscyloskop RTO może zarejestrować aktywny sygnał z dużą rozdzielczością czasową oraz długim czasem obserwacji. W tym celu RTO rejestruje krótkie przebiegi zawierające wydarzenia i przechowuje je wraz z precyzyjnie określonymi czasami między kolejnymi wystąpieniami. Dzięki trybowi historii użytkownik może przeprowadzić szczegółową analizę tych zarejestrowanych przebiegów, jak również występujących między nimi zależności czasowych.

RTO oferuje wysokie tempo akwizycji do 1 miliona na sekundę, co zapewnia duże prawdopodobieństwo wykrycia błędu w sygnale i tym samym oznacza skrócenie całkowitego czasu pomiaru. W przypadku sygnałów, których wystąpienia nie da się przewidzieć, wysokie tempo akwizycji może nie wystarczyć, aby wykryć wszystkie zdarzenia. Na taką ewentualność RTO udostępnia tryb ”Ultra-Segmentation Mode” z minimalnym czasem martwym między kolejnymi akwizycjami wynoszącym 300 ns. Te dwie funkcje znacząco poprawiają wiarygodność i integralność sekwencji rejestrowanych przebiegów.

Aby lepiej przybliżyć tryb historii i przedstawić jego zalety, następny rozdział został poświęcony ogólnemu opisowi architektury i zasady działania oscyloskopów RTO. W trzecim rozdziale opisano dokładnie tryb historii. Czwarty rozdział zawiera przykłady konfiguracji trybu historii do konkretnych zadań pomiarowych i przedstawia korzyści płynące dla użytkownika w każdym z przypadków.

2. Opis oscyloskopu cyfrowego

2.1.  Zasada działania

Na rys. 1 pokazano schemat blokowy oscyloskopu cyfrowego RTO. Strzałki pokazują kierunek przepływu danych między kolejnymi blokami przetwarzania. Cała ścieżka sygnału od analogowych układów wejściowych aż do wyświetlacza jest podzielona na dwie części, które oznaczono różnymi kolorami.

Rys. 1. Schemat blokowy oscyloskopu R&S RTO

Pierwsza część ścieżki akwizycji, zawierająca cyfrowy blok wyzwalania, jest oznaczona kolorem różowym. W tej części wszystkie dane wejściowe są przetwarzane równolegle, zanim próbki z każdego kanału zostaną umieszczone w pamięci akwizycji. Przetwarzanie obejmuje kondycjonowanie sygnału analogowego w układach wejściowych, próbkowanie sygnałów wejściowych za pomocą przetwornika analogowo-cyfrowego (A/C) i filtrowanie cyfrowe oraz decymację w bloku akwizycji. Na końcu ścieżki akwizycji próbki są umieszczane w pamięci akwizycji. Równolegle do przetwarzania danych akwizycji, układ wyzwalania cyfrowego RTO generuje zdarzenie w oparciu o cyfrową postać sygnału wejściowego. Odpowiednie zdarzenie wyzwalające powoduje rozpoczęcie procesu akwizycji.

Drugą część stanowi ścieżka przetwarzania, oznaczona kolorem zielonym. W tej części RTO przeprowadza wybrane operacje analizy, jak pomiary, operacje matematyczne, testy z maską i dodaje kursory przed ostatecznym wyświetleniem przebiegu. Pamięć akwizycji jest wykorzystywana w obu krokach, zarówno podczas akwizycji i przetwarzania, zatem oznaczono ją jednocześnie kolorem różowym i zielonym.

Obie te części pracują na zmianę podczas kolejnych faz – w fazie akwizycji i fazie przetwarzania. Typowym trybem pracy jest tryb ciągłej akwizycji. W tym trybie obie fazy występują naprzemiennie. Rys. 2 przedstawia czasy występowania obu trybów pracy. Symbolem „acq” oznaczono fazę akwizycji, a „pp” – fazę przetwarzania (post-processing). Zdarzenie wyzwalające rozpoczyna akwizycję. Gdy w pamięci akwizycji znajdzie się odpowiednia liczba próbek wynikająca z czasu rejestracji, akwizycja jest wstrzymywana. Kolejna faza zaczyna się od odczytu zarejestrowanego przebiegu z pamięci akwizycji przez część odpowiedzialną za przetwarzanie. Po zakończeniu przetwarzania rozpoczyna się kolejna faza akwizycji.

Rys. 2. Cykl faz pracy oscyloskopu w trybie akwizycji ciągłej

Na rys. 3 cykl pracy RTO został przedstawiony z użyciem wprowadzonego oznaczenia kolorów. Po lewej stronie znajduje się blok akwizycji, który zapisuje przebiegi indeksowane ujemnym licznikiem [1-n, 0] do pamięci akwizycji – operacja oznaczona jako „W”. Po prawej stronie znajduje się blok przetwarzania, który odczytuje uzyskane przebiegi – operacja oznaczona strzałką „R”.

Rys. 3. Przepływ danych w oscyloskopie RTO

2.2.  Wymagania stawiane pamięci

2.2.1. Parametry sprzętu

W fazie akwizycji pamięć próbek przechowuje zarejestrowane próbki. Ustawiona długość rejestracji decyduje o tym, ile w sumie próbek jest przechowywanych, a częstotliwość próbkowania  określa, ile próbek jest rejestrowanych w ciągu sekundy. W oknie dialogowym RTO „Horizontal” można skonfigurować oba te parametry (Fot. 4).

Maksymalna częstotliwość próbkowania jest równa szybkości przetwornika A/C i wynosi 10 miliardów próbek na sekundę (10 GS/s). Standardowa wielkość pamięci RTO mieści 20 milionów próbek na kanał. W ofercie dostępne są dodatkowe opcje, pozwalające zwiększyć pojemność pamięci RTO. Opcje RTO-B101 oraz RTO-B102 pozwalają wykorzystać odpowiednio 50 i 100 milionów próbek na kanał.

Fot. 4. Okno dialogowe „Horizontal” pozwala ustawić rozdzielczość

2.2.2. Przykład – pamięć zajmowana przez sekwencję impulsów

Poniższy przykład daje wyobrażenie, ile pamięci jest potrzebnej do przechowania sygnału impulsowego (Fot. 7), omawianego w rozdziale 1. Liczba próbek zaobserwowanych w czasie okresu  zależy od wybranej częstotliwości próbkowania, liczby zarejestrowanych impulsów i częstotliwości powtarzania impulsów. Wzór 1. pokazuje tą zależność. Realistyczne i rozsądne parametry, dla których chcemy obliczyć wymaganą ilość pamięci, są przedstawione w tabeli 1. W kolumnie „Wartość przykładowa”. Obliczony rozmiar pamięci w tym przypadku to 2 miliardy próbek. Przekracza to ilość pamięci typowych oscyloskopów czasu rzeczywistego dostępnych obecnie na rynku. W oparciu o ten przykład, w części 3.4 zostanie zaprezentowany tryb historii i zalety wynikające z jego użycia.

Tabela 1