Oscyloskop jest postrzegany jako uniwersalny przyrząd pomiarowy, który może być stosowany niemal w każdej dziedzinie elektroniki. Z pewnością było tak jeszcze kilka, kilkanaście lat temu. Obecnie wykonanie dużej grupy specyficznych pomiarów w wielu działach elektroniki nie jest możliwe bez specjalistycznego oprzyrządowania. Dostrzegając ten problem Rohde & Schwarz opracował rodzinę oscyloskopów RTO6, które dzięki swej konfigurowalności mają szerokie spektrum zastosowań.

Oscyloskop RTO6 zaprojektowano tak, aby spełniał wymagania specjalistów różnych branż: automotive, telekomunikacji, medycyny, radioelektroniki, teleinformatyki czy dowolnej innej. Przyjęcie takiej koncepcji było o tyle trudne, że należało zapewnić zarówno bardzo wysokie parametry techniczne, jak i użytkowe. Oscyloskop musi więc sprawnie mierzyć sygnały mieszane, radzić sobie z licznymi protokołami transmisji cyfrowych, a nawet z pomiarami RF. Spełnienie wymagań zadowalających każdego użytkownika mogłoby być dość trudne, a już na pewno bardzo drogie, dlatego problem uniwersalności oscyloskopu RTO6 rozwiązano metodą instalowania specjalistycznych aplikacji i rozszerzeń sprzętowych. W ten sposób użytkownik może konfigurować przyrząd pod swoje potrzeby nie ponosząc zbędnych kosztów. Ważne jest jedynie, aby oscyloskop z podstawowym wyposażeniem był wystarczająco mocny.

Wyposażenie podstawowe

Oscyloskopy RTO6 nawet w najprostszej konfiguracji kwalifikują się do grupy przyrządów z górnej półki. Ogromny ekran o przekątnej 15,6 cala ze sterownikiem o rozdzielczości 1920×1080 pikseli zapewnia duży komfort pracy z wieloma przebiegami, oknami pomiarowymi i informacyjnymi. Oscyloskopy są obsługiwane tradycyjnie przy użyciu mechanicznych elementów regulacyjnych umieszczonych z prawej strony wyświetlacza. Wydaje się, że duża część użytkowników będzie jednak preferowała ekran dotykowy. Wirtualne przyciski ekranowe i ikonki są uaktywniane palcem lub kursorem myszki. Gdy zachodzi konieczność wprowadzania danych numerycznych wybranych parametrów można korzystać na przykład z wydzielonego pokrętła mechanicznego. Obracając nim powodujemy zwiększanie lub zmniejszanie ustawianej wartości. Dwukrotne kliknięcie na pole związane z danym parametrem powoduje wyświetlenie klawiatury ekranowej, za pomocą której można wprowadzić precyzyjną wartość numeryczną. Są to techniki znane z graficznego interfejsu użytkownika wcześniejszych modeli oscyloskopów R&S. Jako, że nie zmienia się dobrych rozwiązań, w RTO6 zastosowano GUI, do którego użytkownicy oscyloskopów R&S zdążyli się już przyzwyczaić.

Wymagający użytkownicy oscyloskopów oczekują od nich dużej szybkości próbkowania, szerokiego pasma, długiego rekordu akwizycji, małych szumów i dużej rozdzielczości. Pogodzenie wszystkich wymagań nie jest łatwe, tym bardziej, że są one często wzajemnie sprzeczne. Doświadczenie konstruktorów Rohde & Schwarz oraz zaplecze technicznej tej firmy pozwoliły jednak na opracowanie kompromisowych rozwiązań zapewniających oczekiwania najbardziej wybrednych użytkowników.

Obsługa niektórych funkcji oscyloskopu, np. akwizycja danych, wyświetlanie odpowiednio przetworzonych danych na ekranie, operacje związane z wyzwalaniem itp., byłaby w dzisiejszych czasach praktycznie niemożliwa bez stosowania specjalistycznych chipów. W oscyloskopach RTO6 zastosowano układy ASIC wspomagające równoległe przetwarzanie danych, a także wyzwalanie podstawy czasu. Obróbka danych rozpoczyna się jeszcze w fazie akwizycji. Jest to cecha niezbędna do wykrywania losowych anomalii sygnału. Konieczna jest ponadto zdolność do wyświetlania dużej liczby przebiegów w krótkim czasie. RTO6 są zdolne do wyświetlania miliona przebiegów na sekundę. Dzięki temu na pozornie statycznym przebiegu można zauważyć losowo pojawiające się anomalie (rys. 1).

Maski

Inną metodą wykrywania takich anomalii są maski znane z oscyloskopów wyższej klasy, służące do badania przejść sygnału przez wskazany obszar. Użytkownik zakreśla taki obszar oscylogramu palcem lub myszką, a specjalna funkcja analizy danych bada czy we wskazanym polu znajdą się punkty przebiegu i oczywiście wyświetla je na podświetlonym tle informując o tym fakcie i zwiększając licznik zdarzeń. W ten sposób bardzo czytelnie możemy określać wszystkie punkty przebiegu, w których pojawiają się nieprawidłowości. Obszar może mieć kształt nieregularny. Jest określany wielokątem o maksymalnie 8 wierzchołkach, co zupełności wystarcza do precyzyjnego określenia obszaru poszukiwań (rys. 2).

Rys. 1. Przypadkowa anomalia badanego sygnału ujawniona dzięki dużej szybkości wyświetlania przebiegów

Rys. 2. Wykrywanie anomalii sygnału za pomocą masek

Maska jest ponadto wykorzystywana do testów pass/fail. Przed uruchomieniem takiego testu należy określić dopuszczalny dla danej tolerancji zakres zmian sygnału. Tworzony jest tym samym korytarz, w którym powinien mieścić się badany przebieg. W czasie testu funkcja pass/fail sprawdza czy przebieg nie wykracza poza wyznaczone granice. Jeśli tak się stanie, możliwe są różne reakcje, np. sygnał dźwiękowy, automatyczne wykonanie zrzutu ekranowego, utworzenie raportu, zatrzymanie testu itp. (rys. 3). Test pass/fail to dobre narzędzie do badania jakości i stabilności sygnału. Wraz z wykresem oczkowym jest często używany do badania interfejsu USB.

Rys. 3. Test pass/fail

16-bitowe przetworniki w oscyloskopach R&S RTO6

W popularnych, tanich oscyloskopach stosowane są przetworniki zaledwie 8-bitowe, ale co można zmierzyć takim przyrządem? Zmierzyć oczywiście coś można, ale jaka będzie dokładność takiego pomiaru? W lepszych oscyloskopach można spotkać przetworniki 10-bitowe, a przetworniki 12-bitowe jeszcze niedawno były powodem do dumy nawet dla samego R&S. W oscyloskopach RTO6 zastosowano specjalnie opracowany, bardzo szybki przetwornik analogowo-cyfrowy o rozdzielczości 16 bitów. Pełna rozdzielczość jest jednak dostępna tylko w trybie HD. Korzystają z niej nie tylko układy akwizycji i zobrazowania, ale też układ wyzwalania oscyloskopu. Oprócz zwiększonego zakresu dynamiki uzyskiwana jest też znaczna redukcja szumów. Porównanie oscylogramów zdjętych w trybie podstawowym i HD przedstawiono na rys. 4. Tryb HD powoduje automatyczne włączenie filtru dolnoprzepustowego ograniczającego pasmo do 50 MHz lub mniej. Należy zaznaczyć, że włączenie trybu HD nie powoduje spowolnienia pracy oscyloskopu. Dzieje się tak, gdyż funkcje filtrowania, a także obliczenia do pomiarów automatycznych i analizy FFT są wspomagane sprzętowo przez układ ASIC.

Rys. 4. Porównanie oscylogramów w trybie standardowym i HD

Trzeba jednak sprawę postawić uczciwie. Podstawowa rozdzielczość przetwornika ma stosunkowo niewielkie znaczenie praktyczne, gdyż przy zaszumionym sygnale pewna część bitów po prostu jest bezużyteczna. Niestety, wraz ze wzrostem pasma rosną też szumy. Na rozdzielczość przetwornika mają też wpływ wnoszone przez niego zniekształcenia. Ostatecznie dużo bardziej wiarygodnym parametrem jest ENOB (Effective Number of Bits), czyli efektywna liczba bitów przetwornika. Parametr ten odnosi się do współczynnika określającego stosunek sygnału do szumu wraz ze zniekształceniami (SINAD). Zagadnienie nie jest proste i nie będziemy wchodzić tu w szczegóły. Należy jednak podać wartość parametru ENOB podawaną przez producenta. Dla oscyloskopów RTO6 ENOB jest on równy 9,4. Nie wiemy jednak zbyt wiele o warunkach pomiaru tego parametru. Należy zauważyć, że może być on zależny od czułości toru pomiarowego, a przede wszystkim od pasma.

Pasmo częstotliwościowe

Oscyloskopy RTO6 mają bardzo szerokie pasmo sięgające aż 6 GHz, należy więc spodziewać się dużego wpływu szumów, które mogą potencjalnie obniżać ENOB. Można sądzić, ze ENOB=9,4 jest określany dla trybu HD, w którym jest włączany filtr 50 MHz. Dla lepszego wyobrażenia sobie o czym jest mowa, warto również przytoczyć wartość ENOB np. dla oscyloskopu RTO1012 o paśmie 1 GHz. W zakresie do 900 MHz jest on określany na poziomie 7,1 i spada do 6,75 powyżej 900 MHz. Zestawienie dostępnych w oscyloskopach RTO6 rozdzielczości (pełnych, nie ENOB) przedstawiono w tab. 1.

Tab. 1. Zestawienie rozdzielczości i pasma w trybie HD

Wyzwalanie

Układ wywalania oscyloskopu RTO6 to opatentowane rozwiązanie R&S. Użytkownik ma do dyspozycji dużą liczbę typów wyzwalania: Edge, Glitch, Width, Runt, Window, Timeout, Interwal, Slew rate, Setup 7 Hold, State, Pattern, Serial pattern, NFC, TV/video, CDR. Układ akwizycji jest wyzwalany pojedynczym zdarzeniem lub ich sekwencją. Cyfrowa realizacja układu wyzwalania umożliwia korzystanie z trybu strefowego. Użytkownik zaznacza na ekranie pewien obszar, tak samo jak przy definiowaniu maski. Wyzwolenie następuje w chwili, gdy sygnał pojawi się we wskazanym obszarze. Warunek może być też zanegowany, to znaczy, że wyzwolenie następuje gdy we wskazanym obszarze sygnału nie będzie. Możliwe jest definiowanie maksymalnie 8 stref wyzwalania. Są one analizowane z zastosowaniem funkcji logicznych. Nie jest to jedyna korzyść wyzwalania strefowego. Metoda ta może być stosowana również do wyzwalania zdarzeniem w dziedzinie częstotliwości.

Rekord akwizycji

Pierwsze oscyloskopy Tektroniksa sprzedawane w czasach, gdy Rohde & Schwarz nawet jeszcze nie myślał o produkcji oscyloskopów cyfrowych miały rekord akwizycji o długości 10 kpunktów. W oscyloskopach rodziny RTO6 może być instalowany rekord akwizycji o długości nawet 2 Gpunktów. W podstawowej konfiguracji oferowane są oscyloskopy z rekordem 200 Mpunktów w każdym kanale. Długość rekordu ma bardzo duże znaczenie podczas badania protokołów oraz analizy złożonych sygnałów cyfrowych. A są to m.in. takie zastosowania oscyloskopów RTO6, do których został zaprojektowany. Można jednak obawiać się, że obsługa tak dużego rekordu spowoduje znaczne spowolnienie pracy oscyloskopu. Obawy takie są poniekąd słuszne, ale dzięki zastosowaniu układu ASIC użytkownik praktycznie nie odczuwa żadnego spowolnienia pracy oscyloskopu.

Długi rekord ułatwia analizę krótkich zdarzeń występujących w nieregularnych odstępach czasu. Wraz ze wzrostem długości rekordu akwizycji maleje prawdopodobieństwo wystąpienia krótkiego zdarzenia w czasie martwym. Mimo to, pamięć oscyloskopu RTO6 jest segmentowana. Tak zorganizowana pamięć nie jest zapisywana jeśli w badanym sygnale nie występują istotne dane. Przykładem ilustrującym przydatność pamięci segmentowanej jest analiza ciągów danych w interfejsach komunikacyjnych. Przerwy między paczkami danych mogą mieć różną długość. Aby nie utracić ciągłości czasu każdy wpis jest uzupełniany stemplem czasowym informującym o czasie wystąpienia zdarzenia zapisywanego do rekordu. Należy zaznaczyć, że w oscyloskopach RTO6 stosowane są precyzyjne generatory odmierzające czas, charakteryzujące się dużą stabilnością długoterminową.

Szyjemy na miarę – wbudowany generator

Wiemy już, że oscyloskopy RTO6 mogą być konfigurowane w zależności od potrzeb użytkowników. Odbywa się to na zasadzie opcjonalnego instalowania specjalistycznych aplikacji i rozszerzeń sprzętowych.

Pomysł umieszczania w oscyloskopach wyższej klasy generatorów powstał wiele lat temu i obserwujemy kopiowanie go nawet w sprzęcie z niższych półek cenowych. Wbudowane generatory zwykle nie dorównują generatorom samodzielnym, ale można obserwować ciągłą poprawę ich parametrów technicznych i cech funkcjonalnych. W oscyloskopach RTO6 nie mogło zabraknąć tego przyrządu. Jest on instalowany jako sprzętowa, 2-kanałowa opcja rozszerzająca. Są to generatory arbitralne wytwarzające sygnały o częstotliwości do 100 MHz. Częstotliwość maksymalna maleje jednak dla innych przebiegów niż sinusoidalny. Przykładowo, dla prostokąta jest to 30 MHz, dla trójkąta 1 MHz, przebieg o kształcie krzywej Gaussa można generować maksymalnie do 25 MHz, a krzywą wykładniczą do 10 MHz. Oba generatory zawierają kilka predefiniowanych kształtów. Aby z nich korzystać należy wybrać tryb generatora funkcyjnego. Przebiegi arbitralne można generować poprzez kopiowanie sygnałów mierzonych przez wskazany kanał oscyloskopu (rys. 5) lub tworzyć je poza oscyloskopem. Powinny być wówczas zapisane w formacie .BIN. Oscyloskop nie dysponuje odpowiednim edytorem.

Rys. 5. Przebieg przechwycony z kanału oscyloskopowego i zapisany do generatora jako przebieg arbitralny

Przebiegi arbitralne mozna generować z maksymalną szybkością próbkowania równą 500 MSa/s i rozdzielczością 14 bitów. Są zapisywane w rekordach o maksymalnej długości 40 Mpróbek dla każdego kanału. Oprócz dwóch kanałów analogowych przebiegów arbitralnych dostępny jest również 8-bitowy generator cyfrowych przebiegów wzorcowych (pattern generator).

Istnieje możliwość sprzęgania ze sobą obu kanałów oraz wzajemnego rozsuwania napięciowego przebiegów. Uzyskiwany jest w ten sposób jeden sygnał różnicowy, który może być używany do testowania urządzeń takich jak wzmacniacze różnicowe czy miksery I/Q.