RTO6 jako analizator widma

Chociaż oscyloskopy RTO6 nie mają wydzielonego kanału dla sygnałów w.cz., dzięki szerokiemu pasmu kanałów analogowych i rozbudowanej funkcji FFT można ich używać bardzo podobnie jak typowe analizatory widma. Użytkownicy tych przyrządów są przyzwyczajeni do określania takich parametrów jak: częstotliwość początkowa i końcowa lub zakres przemiatania i częstotliwość środkowa, a także rozdzielczość przemiatania RBW. Dokładnie tak samo zadaje się parametry obliczania FFT w oscyloskopach RTO6.

Widmo jest obliczane przy zastosowaniu dość osobliwej techniki. Sygnał jest przechwytywany w kilku nakładających się na siebie w dziedzinie czasu segmentach. Dla każdego segmentu widmo jest obliczane funkcją FFT, a następnie tak uzyskane widma są łączone w jedną całość. Częstość występowania poszczególnych składników pełnego widma sygnalizują odpowiednie kolory (rys. 6).

Rys. 6. Użycie kolorów do informowania o częstości występowania składników wykresu FFT

Bardzo przydatną cechą pomiarów widma oscyloskopami RTO6 jest korelowanie widma z fragmentami przebiegu określonymi w dziedzinie czasu. W tym celu w oknie czasowym należy wskazać fragment lub kilka fragmentów przebiegu, a następnie uaktywnić funkcję grupowania. W oknie FFT pojawia się widmo obejmujące wyłącznie wskazane fragmenty (rys. 7). Wykresy na każdej osi są rysowane w skali liniowej lub logarytmicznej.

Rys. 7. Analiza FFT odrębnych fragmentów czasowych

Funkcje dodatkowe analizy FFT

Typowe analizatory widma wyświetlają listę najwyższych prążków widma. Cechę tę utrzymano również w oscyloskopach RTO6 pracujących w trybie pomiaru widma. Lista taka jest wyświetlana w wyodrębnionym oknie, które można umieścić w dogodnym miejscu na ekranie.

Ważną cechą algorytmu analizy widma zaimplementowanego w oscyloskopach RTO6 podczas pomiarów w trybie w.cz. jest niezależność tej analizy od ustawień w dziedzinie czasu. W większości typowych oscyloskopów cyfrowych uzyskanie dużej rozdzielczości funkcji FFT wymaga przechwycenia dużej liczby okresów badanego przebiegu. W oscyloskopach RTO6 w trybie pomiaru w.cz. analiza widma nie zależy od podstawy czasu.

Do badania widma zmieniającego się czasie służy funkcja spektrometru. Jest to dobrze znane narzędzie z wcześniejszych oscyloskopów R&S i innych producentów. Oś czasu w tym przypadku jest pionowo, a częstotliwość wiąże się z osią poziomą. Wykres przesuwa się od dołu do góry, a poziom sygnału poszczególnych częstotliwości jest symbolizowany kolorami (rys. 8).

Rys. 8. Prezentacja czasowych zmian widma w oknie spektrometru

Analiza jakości i integralności mocy

Kolejna aplikacja jest przeznaczona do pomiarów i analizy mocy, a także pomiarów zaburzeń EMI. Zastosowania takie wymagają dużej rozdzielczości dla uzyskania żądanej dokładności pomiaru. 16-bitowy przetwornik oscyloskopów RTO6 na pewno będzie mocno eksploatowany w tym trybie. Oprócz wymagań dotyczących samego oscyloskopu trzeba jeszcze pamiętać o zapewnieniu niezbędnego oprzyrządowania dodatkowego. Będą to sondy wysokonapięciowe i prądowe. R&S oferuje sondy do 6000 V (peak) charakteryzujące się bardzo wysokim współczynnikiem tłumienia sygnału wspólnego. Dostępne są też sondy prądowe w zakresie od 1 mA do 2000 A mierzące w pasmie do 120 MHz.

Jednymi z podstawowych funkcji tej aplikacji jest analiza jakości mocy dostarczanej, a więc pomiar harmonicznych, pomiar prądu rozruchowego itp. Zagadnienie jakości mocy nabiera znaczenia choćby z uwagi na coraz bardziej powszechne korzystanie z nieliniowych odbiorników energii – oświetlenia LED, żarówek energooszczędnych, zasilaczy impulsowych itd. Rohde & Schwarz ma duże doświadczenie w zakresie dostaw sprzętu do pomiarów kompatybilności elektromagnetycznej dla wojska, w tym dla lotnictwa. Wyniki pomiarów mocy odnoszą się do związanych z tymi zagadnieniami norm (IEC 61000-3-2 (A, B, C, D), RTCA DO-160, MIL-STD-1399).

Funkcje zaawansowane pomiarów mocy

Dla specjalistów od urządzeń zasilających bardzo istotne będą pomiary strat mocy przełączania w elementach przetwornic i zasilaczy impulsowych, pomiar wydajności tych urządzeń, a także określanie zakresu bezpiecznej pracy (SOA).

W pomiarach parametrów układów zasilających problemem mogą być sygnały o bardzo małych amplitudach występujących z dużymi składowymi stałymi. Z takimi przypadkami mamy do czynienia np. podczas pomiarów tętnień i szumów napięć zasilających. Oscyloskopy RTO6 kompensują offset nawet do ±60 V zachowując dużą rozdzielczość pionową.

Unikatową cechą oscyloskopów RTO6 jest możliwość wyzwalania w dziedzinie częstotliwości. Ma to ogromne znaczenie w zakresie badań EMI, gdyż umożliwia wykrywanie sporadycznych emisji określonych częstotliwości. W takich pomiarach równie przydatna jest opisana wcześniej bramkowana funkcja FFT mierząca widmo tyko wskazanych fragmentów przebiegu czasowego. Do badania EMI stosowane są sondy bliskiego pola E i H mierzące w zakresie od 9 kHz do 3 GHz.

Pomiary sygnałów cyfrowych

Do pomiarów sygnałów cyfrowych niezbędne jest zainstalowanie w oscyloskopie karty 16-kanałowego analizatora stanów logicznych wraz z odpowiednimi dodatkami programowymi. Potrzebna też jest odpowiednia sonda cyfrowa. Użytkownik uzyskuje tym samym dwa dodatkowe wirtualne przyrządy: analizator stanów logicznych i analizator protokołów. Korzystanie z nich nie wyklucza jednoczesnych pomiarów analogowych. Oscyloskop można więc używać w pomiarach sygnałów mieszanych, przy czym maksymalna częstotliwość przebiegów cyfrowych jest równa 400 MHz. Są one próbkowane z szybkością 5 GSa/s w każdym kanale, co odpowiada rozdzielczości czasowej 200 ps. Przebiegi z każdego kanału można zapisywać w rekordzie o standardowej długości 200 Mpróbek.

W analizatorach stanów logicznych i analizatorach protokołów ważną rolę odgrywa system wyzwalania. Dzięki odpowiednio wybranym trybom wyzwalania możliwe jest przechwytywanie złożonych sekwencji stanów lub nieokresowych zakłóceń np. typu glitch. Dane cyfrowe wyświetlają się w postaci graficznej (jako przebiegi czasowe) lub tabelarycznej.

Badania integralności sygnałów cyfrowych

Integralność sygnałów cyfrowych stanowi kluczowe zagadnienie decydujące o poprawności działania urządzeń elektronicznych z szybkimi magistralami cyfrowymi. Pomiary takich systemów są niezwykle trudne i wymagają sprzętu pomiarowego o wysokich parametrach technicznych. Oscyloskopy RTO6 spełniają te warunki, a instalacja odpowiednich opcji rozszerzających stwarza możliwość wykonywania złożonych pomiarów. Należą do nich m.in. pomiary jittera i szumów. Opcjonalne oprogramowanie oscyloskopów RTO6 umożliwia prowadzenie automatycznych parametrów jittera. Badane są wahania przebiegów zegarowych, a także sygnałów na liniach danych. Analiza obejmuje jitter cycle-to-cycle, błędy odstępów czasu (time interval errors (TIE)) oraz wyznaczanie trendu długoterminowego.

Analizę jittera i szumów oparto o złożone algorytmy dekompozycji na składowe losowe i deterministyczne (DDJ/DDN), cykliczne (PJ/PN) oraz ograniczone składowe nieskorelowane (OBUJ/OBUN). Do oceny jakości torów transmisyjnych wystarczy pomiar nawet krótkich sekwencji sygnałowych. Na ich podstawie obliczane są odpowiedzi impulsowe. Zastosowano tu unikatową metodę model based jitter analysis opracowaną przez R&S. Intuicyjne pojęcie o jakości toru transmisyjnego daje także zobrazowanie wyników na wykresach oka oraz krzywych wannowych. Szumowe szczegóły wykresów są natomiast dobrze prezentowane w postaci histogramów, ścieżek i widma (rys. 9).

Rys. 9. Różne rodzaje wykresów używanych do pomiarów jittera i szumów

Analiza za pomocą źródła różnicowego RTO6-B7

Jednym z rozszerzeń sprzętowych oscyloskopów RTO6 (R&S RTO6-B7) jest 16 GHz konfigurowalne źródło sygnałów różnicowych. Jest to narzędzie używane do pomiarów ultraszybkich torów transmisyjnych z liniami różnicowymi. Źródło generuje sygnały cyfrowe o napięciu regulowanym skokowo w zakresie od -50 mV do -200 mV z krokiem 10 mV. Maksymalna częstotliwość powtarzania impulsów to 250 MHz, a współczynnik wypełnienia może zmieniać się w zakresie od 10% do 90%. Na uwagę zasługuje bardzo krótki czas narastania równy zaledwie 22 ps.

Rozszerzenie R&S RTO6-B7 jest używane jako źródło wymuszeń dla różnego rodzaju urządzeń testowanych. Przykładowe zastosowanie źródła to badanie transmisji i odbić sygnałów cyfrowych. Uwzględniając w pomiarach również kanały analogowe oscyloskopu uzyskuje się system do analizy transmisji (TDT) i odbić w dziedzinie czasu (TDR). Konfigurację taką można używać do badania różnego rodzaju torów transmisyjnych zarówno jednokońcówkowych, jak i różnicowych. Mogą to być wszelkiego rodzaju linie kablowe i złącza, a szczególnym rodzajem torów są ścieżki obwodów drukowanych. Wyniki pomiarów podają zmierzone impedancje linii lub współczynniki odbiciowe w dziedzinie czasu lub odległości.

Analiza protokołów

Analiza protokołów, chociaż obejmuje pomiary sygnałów cyfrowych, stanowi jednak wydzieloną grupę pomiarów. Są one wykonywane nie tylko w celu podglądania danych transmitowanych standardowymi interfejsami komunikacyjnymi, ale przede wszystkim do wykrywania błędów transmisji. Kluczowe znaczenie ma tu zrealizowany sprzętowo układ wyzwalania umożliwiający wychwytywanie określonych zdarzeń typowych dla poszczególnych protokołów. Są to przykładowo: adresy, określone dane, bity startu i stopu, typowe błędy transmisji itd. Wyzwolenie na błędzie transmisji pozwala np. badać historię danych wysyłanych bezpośrednio przed wystąpieniem błędu, co może być pomocne w diagnozie potencjalnej usterki sprzętowej lub błędu programowego.

Innym zagadnieniem jest poszukiwanie określonych sekwencji w długich ciągach danych. Jeśli dane są transmitowane paczkami z relatywnie długimi przerwami między nimi, przydatna okazuje się segmentacja pamięci. Oscyloskopy RTO6 umożliwiają przechwytywanie do 100 000 pakietów uzupełnianych znacznikami czasu. Z kolei obserwacja pojedynczych danych ulokowanych w dużych blokach nie byłaby możliwa bez wygodnego okna zoom. W oscyloskopach RTO6 powiększanie przebiegu jest bardzo dobrze zaimplementowane m.in. dzięki ekranowi dotykowemu.

Oscyloskopy RTO6 charakteryzują się szeroką gamą analizowanych protokołów. Są one pogrupowane w zależności od rodzaju interfejsu komunikacyjnego (np. interfejsy szeregowe o niskich szybkościach, interfejsy dla motoryzacji, lotnictwa, sieciowe itd.). Wymaga to instalacji nawet kilku opcji rozszerzających. Analizator obsługuje protokoły:

• I2C/SPI/RS-232/UART/I2S/LJ/RJ/TDM/Manchester/NRZ,
• CAN/LIN incl. CAN-dbc file import/CAN-FD, FlexRay incl.,
• Fibex file import/SENT/CXPI,
• MIL-STD-1553/ARINC 429/SpaceWire,
• 10BASE-T/100BASE-TX/MDIO,
• MIPI RFFE MIPI RFFE,
• IEEE 100BASE-T1/IEEE 1000BASE-T1,
• USB 1.0/1.1/USB 2.0/HSIC/USB 3.1 Gen 1,
• USB Power Delivery (USB-PD)/USB SSIC,
• MIPI D-PHY/M-PHY/UniPro/decoding for DSI und CSI-2,
• 8b10b (up to 6.25 Gbit/s),
• PCI Express Revision 1.x/2.x

Automatyczne testy zgodności

We współczesnych urządzeniach elektronicznych stosowana jest duża liczba interfejsów cyfrowych, występujących ponadto w wielu wariantach. Stosowane są w nich różne szybkości przesyłania danych od stosunkowo małych, mierzonych w dziesiątkach czy setkach bitów na sekundę, do niewyobrażalnie dużych, mierzonych w gigabajtach, a nawet dziesiątkach i setkach gigabajtów na sekundę. Interfejsy te są potencjalnym źródłem zaburzeń elektromagnetycznych, ważne jest zatem zapewnienie pełnej zgodności z poszczególnymi standardami.

Rohde & Schwarz oferuje darmową aplikację ScopeSuite uruchamianą na komputerach lub bezpośrednio na oscyloskopach m.in. rodziny RTO6, służącą do prowadzenia testów zgodności. Ich istotą są m.in. definicje limitów ustalonych dla poszczególnych interfejsów, opisane w odpowiednich normach i dyrektywach. Aplikacja udostępnia gotowe limity użytkownikom, ale umożliwia też definiowanie własnych. Operacja ta przebiega w specjalnym edytorze.

Spośród wielu różnych interfejsów najtrudniejsze do testowania są te o złożonych protokołach i ekstremalnie dużych szybkościach transmisji. Rohde & Schwarz oferuje opcje programowe i rozszerzenia sprzętowe, przy zastosowaniu których urządzenia takie mogą być poddawane pełnym testom zgodności.

Przykładowo, opcja RTO-K24 to rozszerzenie pozwalające wykonać pełny test zgodności samochodowego Ethernetu 100BASE-T1. Opcja RTO-K87 obejmuje natomiast test zgodności analogicznego interfejsu w wersji 1000-megahercowej (1000BASE-T1), a opcja RTO6-K88 jest przeznaczona dla Ethernetu samochodowego 2,5/5/10G. Test obejmuje m.in. pomiar jittera w trybie master i slave, zniekształcenia sygnału, widmową gęstość mocy, częstotliwość zegara, emisję Common Mode, straty odbiciowe itp. Podobnie przebiegają testy zgodności interfejsów USB 2.0 (opcja RTO6-K21 uwzględniająca konfiguracje: USB Host, USB Device, UAB Hub ze wszystkimi wariantami szybkościowymi: low speed, high speed i full speed). Opcja RTO6-K26 służy z kolei do wykonywania testów zgodności urządzeń zobrazowania, takich jak kamery, wyświetlacze, sprzęt wideo itp., w których zastosowano interfejs MIPI-D-PHY. Ostatnie dwie opcje to: RTO6-K88 – dla interfejsu PCI/Express 1.1/2.0 oraz RTO6-K91, za pomocą której wykonywane są pomiary integralności sygnałów i testy zgodności dla interfejsów DDR3/DDR3L/LPDDR3.

Dzięki rozszerzeniom R&S ScopeSuite pozornie skomplikowane zagadnienie, jakim są testy zgodności staje się łatwe do wykonania nawet przez osobę niebędącą specjalistą w tej dziedzinie. Wszystko dzięki intuicyjnemu wizardowi prowadzącemu użytkownika przez wszystkie etapy, włącznie z podawaniem informacji o tym, jak mają być dołączone sondy pomiarowe do badanego układu. Test powinien kończyć się raportem. Użytkownik nie musi sporządzać go ręcznie na podstawie listy poszczególnych wyników, oprogramowanie generuje taki dokument automatycznie. Jest on zapisywany w pliku PDF (rys. 10).

Rys. 10. Raport testów zgodności

Zdalne sterowanie

Oscyloskopy z rodziny RTO6 są niewątpliwie urządzeniami stacjonarnymi. Pomiary prowadzone z ich użyciem mogą być jednak obserwowane w czasie rzeczywistym na komputerze lub urządzeniach mobilnych. Co więcej, oscyloskopy mogą być również sterowane tymi urządzeniami. Komunikacja jest prowadzona za pośrednictwem interfejsu Ethernet, GPIB lub USB.

Podsumowanie

Oscyloskopy RTO6 stanowią rozwinięcie wcześniejszych modeli. Opracowując nowe typy, Rohde & Schwarz kładzie nacisk na dokładność pomiarów, a także wygodę obsługi. W każdym nowym produkcie R&S można dostrzec kumulację doświadczenia projektantów tej firmy. Zachowując pełny obiektywizm można stwierdzić, że jest to jeden z najszybciej rozwijających się producentów spośród wszystkich liderów branży.

Oscyloskopy RTO6 zajmują sporo miejsca na stole. Mają wymiary 44,5 cm × 31 cm × 20 cm i z pełnym wyposażeniem ważą ok. 14 kg. Podczas pracy w takiej konfiguracji zużywają moc ok. 240 W, a wentylatory wydmuchują powietrze o temperaturze pomad 40^oC. Być może warto zwrócić na to uwagę organizując stanowisko pracy.