2.3.  Kontrola akwizycji i wyzwalania

Analiza rozmaitych sygnałów, jak np. pokazanego powyżej, wymaga skonfigurowania akwizycji i układy wyzwalania.

Oscyloskopy RTO dysponują zaawansowanymi funkcjami wyzwalania, dzięki czemu można przeprowadzać akwizycję w sposób selektywny. Użytkownik może sam określić warunek wyzwolenia. Może to być jednak kłopotliwe, ponieważ warunki pozwalające wyizolować poszukiwany sygnał bywają nieznane. Dzięki zastosowaniu masek i funkcji pomiarowych użytkownik może szczegółowo określić warunki, przekroczenie których powoduje zatrzymanie akwizycji. Następnie korzystając z zarejestrowanych danych, użytkownik jest w stanie ustawić odpowiednie warunki wyzwalania.

Faza akwizycji rozpoczyna się od przygotowania cyfrowego systemu wyzwalania. Oscyloskopy RTO oferują bogaty zestaw warunków wyzwalania: wyzwalanie zboczem, szerokością impulsu, błędem lub spadkiem poziomu, a także okno, przekroczenie czasu, odstęp czasu, szybkość narastania (slew rate), data2clock, stan, sekwencja, sekwencja szeregowa, jak również wyzwalanie dla komunikacji w polu bliskim oraz dla sygnałów TV. Jeśli użytkownik wybierze odpowiedni tryb wyzwalania i dobierze odpowiednio ustawienia, może wykryć bardzo różne zdarzenia w domenie analogowej i cyfrowej oraz sygnałach logicznych. W części 4.3 zostały przedstawione przykłady różnych typów wyzwalania.

Jeśli tryb wyzwalania jest ustawiony jako „auto”, a warunek wyzwolenia nie zachodzi przez określony czas, generowane jest wewnętrzne zdarzenie wyzwalające, aby wymusić wyświetlenie sygnału. W przypadku rzadkich błędów i sporadycznie występujących sygnałów ważne jest, aby wyzwalanie następowało tylko w momencie ich pojawienia. Wybranie trybu normalnego powoduje, że akwizycja ma miejsce tylko dla tych rzadkich sygnałów. W tym wypadku, jeśli zdarzenie wyzwalające nie zachodzi przez dłuższy czas, na ekranie pojawi się okno wyświetlające czas od ostatniego zarejestrowanego zdarzenia.

3. Tryb historii w oscyloskopach RTO
Tryb historii RTO pozwala ominąć ograniczenia wynikające z przeciwstawnych wymagań na  częstotliwość próbkowania i czas obserwacji.

Typowy cyfrowy oscyloskop czasu rzeczywistego nie rejestruje jednego długiego przebiegu. W praktyce wiele oddzielnych przebiegów, wyzwolonych po spełnieniu odpowiedniego warunku wyzwolenia, przechowywanych jest osobno w pamięci akwizycji. Związana z tym organizacja pamięci została szczegółowo opisana w części 3.2.

3.1. Zasada działania

Tryb historii RTO pozwala użytkownikom na dostęp do wcześniej zarejestrowanych zdarzeń przechowywanych w pamięci akwizycji. Tego trybu można używać tylko, gdy akwizycja została wstrzymana. Użytkownik może odtworzyć przebiegi z poprzedniej akwizycji w celu podglądu, jak również zastosować funkcje analizy do każdego przebiegu. Funkcje te obejmują między innymi pomiary, operacje matematyczne, testy z maską oraz użycie kursorów i opcje wyświetlania.

Dane po przetworzeniu są wyświetlane w postaci graficznej lub jako wartości numeryczne. Zachowując kolejność faz przedstawioną na rys. 2, tryb historii wywołuje kolejkuje następujące po sobie fazy przetwarzania, podczas gdy tryb ciągłej akwizycji naprzemiennie wykonuje fazę akwizycji i fazę przetwarzania.

Okno dialogowe historii (fot. 5) zawiera interfejs pozwalający na dostęp i podgląd zarejestrowanych przebiegów. Menu historii jest wyświetlane przyciskiem „History” na przednim panelu lub dostępne w menu „Display” > „Show History”. Po włączeniu okna, akwizycja wykonywana w sposób ciągły jest wstrzymywana.

Ostatnio zarejestrowany przebieg jest oznaczany numerem zero i wyświetlany na samym początku. Starsze przebiegi są indeksowane w odwróconym porządku. Jeśli numer sekwencji zostanie zmieniony ręcznie w polu „Current acq”, oscyloskop przetworzy i wyświetli odpowiadającą mu sekwencję. Zamiast wyświetlać kolejne przebiegi pojedynczo, użytkownik może  odtworzyć wszystkie zarejestrowane przebiegi przyciskiem „Play”. W oknie dialogowym preferencji historii można dokonać wyboru zakresu przebiegów, które będą przetworzone i wyświetlone (patrz fot. 6). Czas wyświetlenia pojedynczej akwizycji można regulować. Zmniejszenie tego czasu bywa przydatne, gdy oscyloskop zarejestrował dużą liczbę przebiegów, a użytkownik chce do nich wszystkich zastosować testy z maską lub funkcje pomiarowe – w ten sposób całkowity czas analizy ulegnie skróceniu. Niezależnie od ręcznie ustawionego czasu odtwarzania przebiegów, czas absolutny lub względny danego przebiegu jest widoczny w oknie dialogowym preferencji historii.

Fot. 5. Okno dialogowe historii

Fot. 6. Okno dialogowe konfiguracji historii

Istotnym warunkiem uruchomienia trybu historii jest zatrzymanie trwającej akwizycji, jeśli oscyloskop pracuje w trybie ciągłej akwizycji. Jest kilka sposobów, aby zatrzymać akwizycję:  ręczne naciśnięcie przycisku „HISTORY”, „RUN CONT” lub „Run Nx Single” na panelu przednim urządzenia lub przez ustawienie warunku wyzwalania „Stop on Violation” w wypadku testów z maską lub użyciem funkcji pomiarowej. W części 4.3 została pokazana przykładowa konfiguracja.

3.2  Organizacja pamięci

Pamięć akwizycji i sposób jej organizacji są bardzo istotne z punktu widzenia trybu historii, a segmentacja pamięci okazuje się pomocna podczas przechowywania danych akwizycji. Łatwo to zademonstrować na przykładzie zaproponowanego wcześniej sygnału impulsowego (patrz rozdziały 1 oraz 2.2). W górnej części rys. 7 został przedstawiony taki właśnie sygnał złożony z impulsów. Z powodu krótkiego czasu narastania konieczna jest wysoka rozdzielczość czasowa, a z powodu odległości między impulsami (typowo mikrosekundy) – długi czas obserwacji. Na obrazku widać ciąg pięciu impulsów o podobnym, lecz niejednakowym kształcie i występujące w różnych odstępach czasu. Oś czasu nie jest ciągła i sugeruje, że pomiędzy kolejnymi impulsami występują dowolne, ale znaczne odstępy czasowe w porównaniu do długości impulsów.

Rys. 7. Akwizycja ciągu impulsów w czasie jednej lub wielu akwizycji

Dolna część rys. 7 przedstawia ten sam sygnał, co górna. W przypadku pojedynczej akwizycji, oscyloskop zarejestrowałby impulsy w przedziale czasu [t₁, t_n_t_s]. Zakropkowana ramka wokół tych impulsów oznacza czas przeprowadzenia akwizycji w tym przypadku.

Na ścieżce akwizycji następuje opóźnienie sygnału w stosunku do zdarzenia wyzwalającego, które jest generowane przez oscyloskop cyfrowy z tego samego sygnału. Wyzwolony oscyloskop rozpoczyna tuż przed początkiem impulsu akwizycję, której długość jest równa ustalonej wartości t_s. Szare ramki otaczające pięć impulsów oznaczają czasy akwizycji [t_k, t_k+t_s], gdzie k jest liczbą od 1 do 5. Przyjęto to założenie, że wynik pomnożenia czasu t_s przez n obserwacji jest znacznie mniejszy, niż całkowity czas obserwacji, co zostało omówione w części 2.2. Dzięki temu oscyloskop RTO nie rejestruje długich okresów braku aktywności, co pozwala zaoszczędzić mnóstwo pamięci. To rozwiązanie sprawia, że wykorzystanie pamięci akwizycji jest bardzo efektywne.

Dalsze rozważania opierają się na danych z tabeli 1 i założeniu, że szerokość impulsu jest mniejsza, niż 100 ns. Dla czasu akwizycji t_s = 100 ns i zachowując te same parametry (R_s = 10 GS/s, np. = 20, R_p = 0,01 s), całkowity rozmiar potrzebnej pamięci wynosi 20 tysięcy próbek. W tym przypadku oznacza to znaczną poprawę rzędu 100 tysięcy (2 miliardy w stosunku do 20 tysięcy próbek).

Poszczególne przebiegi są umieszczane w buforze kołowym, choć są fizycznie mapowane w pamięć DRAM adresowaną liniowo. Górna część rys. 8 przedstawia sygnał impulsowy. Jak opisano wcześniej, poszczególne impulsy są próbkowane przez czas ts, który pomnożony przez częstotliwość próbkowania i po uwzględnieniu niewielkiego narzutu określa ilość pamięci wymaganą do przechowania przebiegu.

Bufor kołowy pokazany na rys. 8 przechowuje przebiegi indeksowane od 0 do 1-n, gdzie 0 oznacza ostatni przebieg, natomiast 1-n – najdawniej zarejestrowany przebieg. Organizacja pamięci polega na powiązaniu każdego przebiegu z małym blokiem narzutu (OVH – overhead) oraz chwilą wystąpienia przebiegu. W części 3.4 omówiono maksymalną liczbę przebiegów, określaną jako głębokość historii (history depth). Dzięki przechowywanej chwili wystąpienia znane są dokładne zależności czasowe między zarejestrowanymi przebiegami. Nieużywane przebiegi z wcześniejszych akwizycji są wymazywane i przestają być dostępne. Jeśli zapotrzebowanie na pamięć przekracza głębokość historii, najnowsza akwizycja nadpisuje najstarszą o numerze 1 – n.

Gdy RTO przechodzi do trybu historii, aktualnie wyświetlany przebieg jest ostatnim zarejestrowanym. Użytkownik może wybrać przebiegi ułożone w kolejności jak w dolnej części rys. 8.

3.3  Ocena wierności akwizycji sygnału

W tym rozdziale przedstawiono związek między czasem obserwacji a prawdopodobieństwem wykrycia błędu, zaprezentowano również tryb minimalizujący czas martwy. W oparciu o przedstawioną wiedzę stanie się jasne, dlaczego te zagadnienia są istotne z punktu widzenia trybu historii.

3.3.1. Wyznaczanie czasu martwego

Aby korzystać z trybu historii w bardziej efektywny sposób, warto ocenić wierność akwizycji danych. Idea dwóch faz akwizycji i przetwarzania została już omówiona, ale użytkownik powinien mieć świadomość, że podczas fazy przetwarzania oscyloskop nie jest w stanie dokonywać akwizycji, jest to czas martwy. Jest to ogólna właściwość wszystkich oscyloskopów cyfrowych, nie tylko rodziny RTO. Zainteresowani czytelnicy mogą zajrzeć do noty aplikacyjnej, która zawiera bardziej szczegółowe informacje o wpływie czasu martwego i zmianie prawdopodobieństwa wykrycia zaburzeń w sygnale.

Rys. 8. Organizacja pamięci akwizycji

Na czas martwy oscyloskopu składają się stały odcinek czasu oraz zmienne odcinki (patrz rys. 9). Architektura konkretnego oscyloskopu decyduje o części stałej (fixed) t_fb. Cześć zmienna (variable) t_vb zależy od czasu potrzebnego na przetworzenie sygnału, w szczególności od długości rejestracji, liczby aktywnych kanałów, wybranych funkcji przetwarzania i renderowania przebiegów. 

Rys. 9. przedstawia tryb akwizycji ciągłej. Po wystąpieniu zdarzenia wyzwalającego w momencie t1 spowodowanego impulsem (1 – n), oscyloskop rozpoczyna akwizycję trwającą t_s. Gdy akwizycja zostanie zakończona, potrzebny jest stały czas t_fb przed rozpoczęciem fazy przetwarzania. Faza ta trwa przez okres t_vb. Tak więc oscyloskop po upływie chwili czasowej t₁ + t_s + t_fb + t_vb jest gotowy i oczekuje na przyjęcie kolejnego zdarzenia wyzwalającego

W oparciu o pojęcia czasu akwizycji i czasu martwego, w dalszej części noty została przedstawiona analiza prawdopodobieństwa wykrycia losowych zaburzeń w obserwowanym sygnale. Rys. 10 przedstawia zależność między wykryciem zburzenia w danym czasie w zależności od tempa akwizycji. Łatwo zauważyć, że wysokie tempo akwizycji jest konieczne, aby zarejestrowane dane były wiarygodne. Oscyloskopy RTO osiągają tempo akwizycji do 1 miliona przebiegów na sekundę, co zapewnia wysoką wiarygodność. Tempo akwizycji można sprawdzić, wyświetlając okno „Performance” (Fot. 11). Okno to można włączyć, wybierając z menu „Display” > „Performance”.

Rys. 9. Cykl akwizycji i przetwarzania w oscyloskopie cyfrowym

Warto wiedzieć, że dwa efekty mogą być przeszkodą w osiągnięciu wysokiego tempa akwizycji. Po pierwsze, jeśli czas rejestracji jest długi, związany z nim czas akwizycji zmniejsza tempo akwizycji. Po drugie, jeśli układ wyzwalania pracuje w trybie normalnym i jeśli zdarzenia wyzwalające pojawiają się rzadziej, niż zachodzi akwizycja, tempo akwizycji ulegnie zmniejszeniu.

Rys. 10. Prawdopodobieństwo wykrycia zaburzenia

Fot. 11. Okno „Performance”