Okres pandemii mamy już za sobą. W tym czasie zmieniło się podejście do systemu pracy. Duża część firm na całym świecie przeszła w tryb zdalny lub hybrydowy. Chyba wszyscy zadawali sobie pytanie w jakim stopniu ten stan wpłynie na efektywność pracy. Bywało z tym różnie, ale w przypadku Rohde & Schwarz trudny czas zaowocował nową rodziną oscyloskopów MXO 4.

Oscyloskopy MXO 4 charakteryzują się szeregiem innowacyjnych rozwiązań zarówno sprzętowych, jak i programowych, opracowanych w biurach konstrukcyjnych R&S. Dzięki nim oscyloskopy MXO 4 można zaliczyć do rozbudzającej wyobraźnię klasy next-generation. Własne opracowania pozwoliły osiągnąć bardzo korzystny współczynnik możliwości do ceny.

Podstawowe parametry

Rodzina MXO 4 mieści się na środkowej półce oferty R&S. Są to oscyloskopy 4-kanałowe o dostępnych pasmach 200 MHz, 350 MHz, 500 MHz, 1 GHz i 1,5 GHz. Maksymalna szybkość próbkowania wynosi 5 GSa/s. Cechą wyróżniającą tych przyrządów jest bardzo duży rekord akwizycji. Standardowo jest to 400 Mpunktów w każdym kanale, a parametr ten może być jeszcze opcjonalnie zwiększony do 800 Mpunktów/kanał. W tej klasie oscyloskopów trudno znaleźć lepszy wynik u konkurentów. Podobnie jest z szybkością przechwytywania przebiegów, osiągającą wartość 4,5 Mwfms/s. Jak wiadomo, parametr ten jest niezwykle przydatny podczas wykrywania krótkotrwałych zakłóceń przypadkowych.

W czasach, w których nie ma już praktycznie czysto analogowych urządzeń elektronicznych, ważną cechą funkcjonalną oscyloskopów jest ich zdolność do badania przebiegów cyfrowych. Jest to tym bardziej ważne, że z rynku praktycznie zniknęły już specjalizowane w tym zakresie analizatory stanów logicznych. Wydajność oscyloskopów cyfrowych jest dzisiaj na tyle duża, że radzą one sobie całkiem nieźle z analizą nawet szybkich sygnałów cyfrowych. Nadal jednak funkcjonalność ta jest tylko opcjonalna. Jest tak również w przypadku oscyloskopów rodziny MXO 4. Wykupując opcję HW MXO4-B1 użytkownik uzyskuje dostęp do 16-kanałowej sondy cyfrowej z kolejnymi opcjami analizy protokołów. W rzeczywistości są to dwie sondy 8-kanałowe, które mogą oczywiście pracować jednocześnie. Maksymalna szybkość próbkowania kanałów cyfrowych wynosi 5 GSa/s. Z kolei Opcja HW MXO-B6 obejmuje 2-kanałowy generator arbitralny wytwarzający przebiegi do częstotliwości 100 MHz. Jest to parametr podawany w specyfikacji technicznej i materiałach reklamowych, ale dotyczy w zasadzie tylko podstawowego przebiegu sinusoidalnego. Częstotliwości maksymalne pozostałych przebiegów zawierają się w granicach od 30 MHz dla prostokąta do 1 MHz dla jak zwykle najtrudniejszego trójkąta (tab. 1). Przebiegi arbitralne są generowane z maksymalną szybkością 312,5 MSa/s.

Podczas jednoczesnej pracy z 4 kanałami analogowymi i 16 cyfrowymi ważna jest wielkość ekranu. W oscyloskopach MXO 4 zastosowano ekran o przekątnej 13,3 cala, wyświetlający obraz z rozdzielczością Full HD. Są to parametry zapewniające naprawdę duży komfort nawet przy pracy ze wszystkimi kanałami jednocześnie. W nowej rodzinie nieco zmieniono graficzny interfejs użytkownika, na szczęście pozostawiono możliwość wyświetlania oscylogramów z poszczególnych kanałów w odrębnych oknach. Duży wyświetlacz zajmuje oczywiście znaczną część panelu czołowego oscyloskopu, ale znalazło się na nim jeszcze miejsce dla mechanicznych elementów regulacyjnych. Designerom udało się rozmieścić niezbędne przyciski i pokrętła na stosunkowo wąskiej przestrzeni, co nie utrudnia jednak czynności manualnych i nie zwiększa nadmiernie obudowy. Przyciski są podświetlane kilkoma kolorami sygnalizując tym samym aktualną funkcję. Na przykład kolor świecenia przycisku Source umieszczonego w sekcji „Trigger” sygnalizuje kanał, używany do synchronizacji przebiegów wyświetlanych na ekranie. Oczywiście każdy kanał ma przypisany do niego własny kolor.

Osiągnięcia firmy Rohde & Schwarz

Każdy z producentów sprzętu pomiarowego ma swoje osiągnięcia, które są chętnie wykorzystywane do wykazania wyższości nad konkurencją. Jest to jednak grząski temat, gdyż najczęściej można znaleźć takie parametry, które świadczą o przewadze jednej firmy nad inną, podczas gdy wybierając inne parametry dla tych samych urządzeń okazuje się, że jest wręcz odwrotnie. Nie będziemy więc w artykule porównywać sprzętu różnych marek, zostaną natomiast wymienione te cechy oscyloskopów MXO 4 R&S, które zasługują na uwagę.

Część osiągnięć firmy Rohde & Schwarz było już wymienionych. Należą do nich: duża szybkość przechwytywania przebiegów i bardzo duży rekord akwizycji. Należy zaznaczyć, że te i inne parametry były możliwe do realizacji dzięki opracowaniu przez R&S własnego układu ASIC wykonanego w technologii CMOS 28 nm. Układ zawiera 36 milionów bramek i realizuje sprzętowo znaczną część funkcji, które do tej pory były przydzielane procesorowi do realizacji programowej. Są to m.in.: przechwytywanie ramek, obliczenia matematyczne, pomiary automatyczne, obliczenia widma sygnałów mierzonych, generowanie przebiegów analogowych w 2-kanałowym generatorze, obsługa interfejsów szeregowych, a także wyzwalanie cyfrowe. Przetwornik analogowo-cyfrowy ma standardową rozdzielczość 12 bitów, ale w trybie HD jest ona zwiększana nawet do 18 bitów.

Wśród producentów oscyloskopów cyfrowych od lat trwa nieformalna walka o prymat w zakresie zdolności wykrywania przypadkowych, krótkotrwałych zakłóceń. Niestety, przyrządy tego typu mają sporą przypadłość, która w istotny sposób utrudnia wykonanie tego zadania. Jest to tzw. czas martwy. Jeśli przeanalizowalibyśmy dokładnie zasadę działania typowego oscyloskopu cyfrowego, to okazałoby się, że akwizycja sygnału zajmuje czasami nawet mniej niż 1 procent czasu pozostałych operacji. Największe obciążenie stanowi przetwarzanie danych zgromadzonych w rekordzie akwizycji, a więc wykonanie niezbędnych obliczeń, wyświetlenie oscylogramów na ekranie itp. W tym czasie oscyloskop jest zupełnie „ślepy” i nie może analizować tego, co dzieje się na wejściach pomiarowych. Nie trzeba być specjalistą, żeby zauważyć, że prawdopodobieństwo tego, że sporadyczne zakłócenie wystąpi akurat w tym 1-procentowym przedziale czasu aktywności oscyloskopu jest dramatycznie małe. Producenci oscyloskopów opracowywali więc różne metody pozwalające obejść to ograniczenie. Jednym z nich jest zwiększanie szybkości przechwytywania przebiegów, zupełnie innym jest segmentacja pamięci. Firma Rohde & Schwarz już mniej więcej w czasach opracowywania modeli RTO postawiła sobie ambitny cel osiągnięcia wybitnych wyników w tym zakresie. I można chyba powiedzieć, że cel ten został osiągnięty. Czas przezbrojenia układu wyzwalania, czyli osiągnięcia gotowości do kolejnego wyzwolenia w oscyloskopach MXO 4 wynosi zaledwie 21 ns. Aby lepiej uzmysłowić sobie ten wynik warto spojrzeć na rys. 1, na którym poglądowo zostało pokazanych kilka następujących po sobie akwizycji.

Rys. 1. Graficzna interpretacja czasu martwego

Szybkość próbkowania a podstawa czasu

Jak już mogliśmy przekonać się na przykładzie podawania w materiałach reklamowych częstotliwości przebiegów uzyskiwanych z generatora arbitralnego, dane te ograniczają się do najbardziej korzystnego przypadku. Nie podejrzewając o złe intencje pracowników działu marketingowego R&S, lepszą informacją dla klienta byłaby na przykład tabelka (tab. 1). Tabelkę tę można znaleźć, ale na jednej z ponad 500 stron instrukcji oscyloskopu.

Tab. 1. Częstotliwości maksymalne przebiegów generowanych w generatorze oscyloskopu MXO 4

Podobnie jest z maksymalną szybkością próbkowania, przy czym tutaj sytuacja jest nieco bardziej skomplikowana i dla podawania wartości maksymalnej można znaleźć uzasadnienie. Chodzi o to, że przy wolnych podstawach czasu i dużej szybkości próbkowania rekord akwizycji zapełniłby się szybciej niż wynikałoby to z czasu potrzebnego do narysowania oscylogramu na całej szerokości ekranu. Dla przykładu rozważmy abstrakcyjny przypadek, w którym mamy oscyloskop z rekordem akwizycji o długości N=1000 punktów, podstawa czasu jest ustawiona na TB=1 ms/dz, ekran ma szerokość Ld=10 działek a podawana w specyfikacji technicznej szybkość próbkowania niech będzie równa Vs=100 MSa/s. Przy takich nastawach oscylogram wyświetlany na ekranie zajmuje To=TB*Ld=0,001*10=10 ms. Gdyby oscyloskop zbierał dane z szybkością 100 MSa/s, to zapełnienie rekordu, a więc zebranie 1000 próbek zajęłoby zaledwie Ta=N/Vs=1000/100000000=10 µs. Na ekranie niewiele byśmy zobaczyli. W takich przypadkach oscyloskop automatycznie zmniejsza szybkość próbkowania, która teraz w naszym przykładzie zostanie zredukowana do zaledwie 100 kSa/s. Uwaga, jest to 1000 razy wolniej od szybkości podawanej w danych technicznych.

Dysponując tak dużym rekordem akwizycji, jaki jest w oscyloskopach MXO 4, możliwe jest oglądanie długich oscylogramów z dużą rozdzielczością czasową. Jest to cecha przydatna na przykład do analizy długich paczek danych przesyłanych szybkimi interfejsami szeregowymi, albo do badania krótkich zjawisk występujących w długich odstępach czasu. Aby lepiej uzmysłowić sobie jakie to niesie korzyści należy zauważyć, że podstawa czasu może być ustawiana na 5000 s/dz. Dysponując rekordem 800 Mpunktów można obserwować przebiegi trwające 100000 s (1,16 doby) z próbkowaniem 8 kSa/s.

Różnice w jakości oscylogramów przebiegu impulsowego uzyskiwanego dla ustalonej podstawy czasu 40 ms/dz i stałej szybkości próbkowania 10 kSa/s dla różnych długości rekordu zostały pokazane na rys. 2. Przy takich nastawach oscylogram tworzony na oscyloskopach z krótkim rekordem (np. 2 Mpunkty) zupełnie nie przypominałby oryginału.

Rys. 2. Ilustracja wpływu długości rekordu akwizycji na jakość oscylogramu

Wygoda obsługi

„Baw się podczas użytkowania” – to jedno z haseł zachęcających do zakupu oscyloskopów MXO 4. Rzeczywiście opracowując tę rodzinę projektanci mieli na uwadze nie tylko osiągnięcie jak najlepszych parametrów technicznych, ale również stworzenie takiego interfejsu użytkownika, który pozwalałby bez zbędnej przesady nazwać te przyrządy określeniem „user friendly”. W dużym stopniu cel został osiągnięty, choć pewnie można by jeszcze coś do zmiany znaleźć.

Do najważniejszych elementów wygody użytkowania należy zaliczyć duży ekran z panelem dotykowym wspierany pracą z myszką. Zdublowanie mechanicznych elementów regulacyjnych ich ekranowymi odpowiednikami powoduje, że w każdej sytuacji można skorzystać z najwygodniejszej metody zmieniania nastaw. Używanie do tego ekranu dotykowego jest na pewno bardzo wygodne, ale na dłuższą metę może być męczące. Wówczas zamiast sięgać ręką do ekranu można użyć myszki trzymając rękę opartą o blat stołu.

Kolejnym elementem usprawniającym pracę jest możliwość rozmieszczania oscylogramów w kilku oknach. Wtedy, gdy chcemy bezpośrednio porównać przebiegi lepiej jest jednak obserwować je w jednym oknie, co też jest możliwe. Samo rozmieszczanie jest bardzo proste, wystarczy przeciągnąć odpowiednie symbole myszką lub palcem po ekranie.

Prostą metodą wywoływania poszczególnych operacji, np. obliczeń matematycznych, powiększania oscylogramów, pomiarów kursorowych, uruchamiania analizy widmowej itp. jest korzystanie z konfigurowalnego paska narzędziowego. Można na nim umieścić ikonki najczęściej wykonywanych operacji, tak aby były szybko dostępne w jednym miejscu.

Wykonując pomiary często zmieniamy wartości wielu parametrów, np. czułości, podstawy czasu, offsetu, przesunięcia w osi czasu, szybkości próbkowania itd. Oscyloskop cyfrowy umożliwia ustawianie tych parametrów z bardzo dużą dokładnością. Jest to możliwe po kliknięciu na odpowiedni symbol graficzny. Pierwsze kliknięcie powoduje uaktywnienie uniwersalnego pokrętła, za pomocą którego można zmieniać wartości pseudoanalogowo. Powtórne kliknięcie włącza ekranową klawiaturę numeryczną, którą wprowadzamy cyfrową, a więc precyzyjną wartość parametru (rys. 3).

Rys. 3. Wprowadzanie nastaw w postaci liczbowej za pomocą wirtualnej klawiatury numerycznej

Liczba trybów pracy, zmiennych parametrów, różnych opcji itp. powoduje, że mimo maksymalnego uproszczenia interfejsu użytkownika można zapomnieć, co należy wykonać i w jakiej kolejności, aby uzyskać oczekiwany w danej sytuacji efekt. Jest tak szczególnie wtedy, gdy siadamy przed oscyloskopem pierwszy raz lub po dłuższej przerwie. I tu przychodzi z pomocą rozbudowany dział pomocy dostępny z bocznego paska narzędziowego. Wystarczy wpisać jakieś słowo kluczowe, lub jego fragment, aby pojawiła się lista podpowiedzi. Prześledźmy przykładową sekwencję czynności: odtwarzamy parametry domyślne przyciskiem Preset i uruchomiamy 1. kanał generatora z sygnałem sinusoidalnym o amplitudzie 1 V_pp. Następnie naciskamy przycisk Autoset oczekując, że na ekranie zostanie wyświetlony stabilny przebieg sinusoidalny. I tak się rzeczywiście dzieje, z tym że widoczne są dwie nakładające się na siebie sinusoidy (rys. 4). Wpisujemy więc w polu wyszukiwania słowo trigger, a po chwili pojawia się lista kilku podpowiedzi. Pierwsza z nich prowadzi do opcji Trigger->Hysteresis, w której zamieniamy tryb automatyczny na ręczny i pokrętłem uniwersalnym zwiększamy histerezę wyzwalania aż do momentu osiągnięcia stabilnego przebiegu na ekranie (rys. 5). Do wpisywania tekstów nie jest oczywiście potrzebna żadna klawiatura zewnętrzna – korzystamy z klawiatury ekranowej, którą można uruchomić naciskając na odpowiednią ikonkę znajdującą się w dolnej części ekranu.

Rys. 4. Nakładające się na siebie sinusoidy na skutek nieoptymalnie wybranych parametrów wyzwalania

Rys. 5. Oscylogram przebiegu sinusoidalnego po korekcie histerezy wyzwalania

Atrakcyjnym uzupełnieniem oscylogramów wtedy, gdy archiwizujemy je w jakimś celu są własne adnotacje tekstowe i graficzne, które możemy wykonać używając narzędzia zaimplementowanego w oprogramowaniu oscyloskopu. Przykład takiego opisu został pokazany na rys. 6. Narzędzie to udostępnia umieszczanie tekstów, strzałek, prostokątów oraz ołówka do rysunku odręcznego. Ciekawym spostrzeżeniem jest pewna maksymalna długość odręcznie nanoszonej linii. Po jej przekroczeniu ołówek przestaje działać. Nie powinno być to jedna jakąś wielką niedogodnością, gdyż w gruncie rzeczy oscyloskop nie służy do malowania obrazków na ekranie.

Rys. 6. Własnoręczne adnotacje na oscylogramie wykonane bezpośrednio na ekranie oscyloskopu

Wyzwalanie

Oscyloskopy najwyższych rodzin większości topowych producentów są na ogół wyposażane w bardzo rozbudowane układy wyzwalania. Ma to ułatwić użytkownikom obserwację „trudnych” przebiegów, dla których dobranie zdarzenia wyzwalającego zapewniającego stabilne wyświetlenie oscylogramu wymaga często sporej wprawy, a nawet wiedzy o działaniu oscyloskopu. W przyrządach rodziny MXO 4 wyzwalanie jest realizowane cyfrowo z użyciem wydzielonych do tego celu bloków układu ASIC. Dostępne są dwie metody wyzwalania. Pierwsza z nich obejmuje klasyczne – można powiedzieć – podejście, a więc wybór:

• źródła wyzwalania,
• typu wyzwalania,
• poziomu wyzwalania,
• trybu wyzwalania,
• zbocza lub polaryzacji, a także kilku ważnych parametrów specyficznych dla wybranego typu.

Druga metoda to wyzwalanie sekwencyjne. Określa się:

• typ sekwencji,
• tryb wyzwalania,
• stan wyzwalania.

Do znalezienia poziomu wyzwalania można skorzystać z automatycznego wyboru, który jednak nie zawsze jest optymalny. Źródłem wyzwalania mogą być niemal wszystkie dostępne sygnały, a więc: analogowe kanały pomiarowe, sygnał z zewnętrznego wejścia wyzwalania, linie D0 do D15 z wejść cyfrowych. Jest też wyzwalanie typu LINE synchronizujące wyzwalanie do częstotliwości sieci zasilającej.

Rozwijając listę typów wyzwalania ukazują się dobrze znane typy wyzwalania, a więc: Edge, Glitch, Width, Runt, Window, Timeout, Interwal, Slew rate trigger, Setup & Hold, State, Pattern. Wybierając do wyzwalania sygnał zewnętrzny można korzystać tylko z wyzwalania zboczem.

Warto zatrzymać się jeszcze na chwilę przy wyzwalaniu sekwencją. Jak wynika z nazwy, wybierając tę metodę wyzwalania mamy możliwość określenia dwóch zdarzeń powodujących wyzwolenie. Muszą one nastąpić jedno po drugim. Najlepiej zilustrować to na przykładzie. Na rys. 7 został pokazany pewien specyficzny przebieg, który będzie wyzwalany sekwencją zdarzeń. Po wejściu w opcje wyzwalania wybieramy „Trigger on” -> „Sequence” -> ”Trigger sequence A->B->R” (rys. 8a). Następnie definiujemy pierwsze zdarzenie. W tym przypadku będzie to wyzwolenie zboczem sygnału z kanału pierwszego z poziomem równym 577,41 mV (rys. 8b). Drugie zdarzenie będzie bardziej złożone. Wybieramy dla niego typ „Window” i określamy szerokość okna, w którym powinny zmieścić się impulsy. W naszym przypadku jest to przedział 30 µs ±8 µs. Dodatkowo wprowadzamy parametr „B event count” równy 4 określający, że wyzwolenie musi nastąpić po wykryciu czwartego impulsu o zadanych parametrach czasowych. Szerokość impulsu jest mierzona na określonym przez nas poziomie (-346,34 mV). Wszystko już gotowe, uruchamiamy pomiar i rzeczywiście na ekranie mamy stabilny obraz jak na rys. 7. Swoją drogą ciekawe, ilu użytkowników korzysta na co dzień z takiego wyzwalania?

Rys. 7. Wyzwalanie sekwencją zdarzeń

Rys. 8. Okna konfiguracji wyzwalania sekwencją zdarzeń

Producent przewidział jeszcze jeden tryb wyzwalania, który na pewno zostanie doceniony przez użytkowników. Jest to wyzwalanie obszarem („Zone”). Aby uaktywnić ten tryb wystarczy nacisnąć specjalny przycisk umieszczony na panelu czołowym oscyloskopu i narysować na ekranie pewien prostokątny obszar. Wyzwolenie podstawy czasu nastąpi wtedy, gdy jakiś fragment przebiegu znajdzie się w tym polu. Wyzwalanie „Zone” będzie dostępne już wkrótce w kolejnych egzemplarzach produkcyjnych. Podstawowym jego przeznaczeniem jest wykrywanie przypadkowych zakłóceń.

To, co każdy oscyloskop cyfrowy mieć powinien

Na początku ery oscyloskopów cyfrowych informacje takie, jak podane niżej wymagały szerokiego opisu. Dzisiaj już wszyscy je dobrze znają więc zostaną wymienione tylko dla porządku.

Pomiary kursorowe. Do dyspozycji są 4 kursory: dwa pionowe i dwa poziome, za pomocą których można mierzyć parametry czasowe i napięciowe. Do każdego kursora jest przypisywany kanał pomiarowy, do którego odnoszą się parametry związane z kursorem.

Pomiary automatyczne. Pełna lista parametrów mierzonych automatycznie jest zamieszczona w tab. 2 (na końcu artykułu). W każdej chwili aktywnych może być co najwyżej 16 parametrów.

Operacje matematyczne. Pełna lista została zamieszczona w tab. 2. W każdej chwili aktywnych może być nie więcej niż 5 równań.

Zachowywanie nastaw i oscylogramów. Konfigurowanie oscyloskopu przed nowym pomiarem bywa dość kłopotliwe, zwłaszcza wtedy, gdy wcześniej były robione pomiary wymagające jakichś specyficznych nastaw. Zbawienny w takich przypadkach jest przycisk Preset przywracający domyślny stan fabryczny. Wstępną konfigurację wygodnie jest też robić – bez poczucia wstydu – przyciskiem Autoset. Nie zawsze będziemy zadowoleni z propozycji zgłoszonych przez oprogramowanie oscyloskopu. Dotyczy to przede wszystkim podstawy czasu, która często jest ustawiana automatycznie na dużo krótszej wartości niż wymagana, co oznacza, że trzeba ją ręcznie korygować.

Inną metodą szybkiego konfigurowania oscyloskopu do powtarzających się pomiarów jest po prostu zapisanie konfiguracji w pamięci, a w razie potrzeby odczytanie jej z pamięci wewnętrznej oscyloskopu lub z pendive’a. W ten sposób bez zbędnego kręcenia gałkami będziemy mieli oscyloskop od razu gotowy do pracy.

Na podobnej zasadzie można zapisywać zarejestrowane przez oscyloskop przebiegi z okna głównego, z okna zoomu, z obszaru objętego kursorami, z obszaru objętego bramkowaniem lub z obszaru zadanego ręcznie.

Nie mogło też zabraknąć zwykłych zrzutów ekranowych, czyli zapisania dyskowej kopii tego, co jest wyświetlane w danej chwili na ekranie w postaci pliku graficznego. Opcjonalnie na zrzucie ekranowym może być też uwzględnione okno dialogowe, jeśli jest aktywne. W typach plików PNG lub JPEG dołączana jest informacja EXIF zawierająca dodatkowe dane o okolicznościach wykonania zrzutu.

Czy warto inwestować w analizator widma?

Analizatory widma to przyrządy przeznaczone do badania sygnałów w dziedzinie częstotliwości. Mają one specjalnie do tego zaprojektowaną konstrukcję umożliwiającą pomiary widma w czasie rzeczywistym w bardzo szerokim paśmie. Najczęściej są to przyrządy z przemianą częstotliwości (superheterodynowe). Pomiary w dziedzinie częstotliwości mogą być jednak wykonywane również metodą cyfrową z zastosowaniem transformacji Fouriera. Takiej funkcji (FFT) nie mają obecnie tylko najprostsze oscyloskopy cyfrowe. Problem polega na tym, że pomiary w bardzo szerokim, gigahercowym zakresie wymagają bardzo dużej wydajności obliczeniowej oscyloskopu. Musi to być ponadto przyrząd o szerokim paśmie pomiarowym i dużej szybkości próbkowania. Wymagany jest też szybki procesor zdolny do wykonywania dużej liczby operacji w bardzo krótkim czasie. I tu okazuje się, że dzięki zastosowaniu układu ASIC oscyloskopy MXO 4 taką mocą dysponują. Wystarczy powiedzieć, że przyrządy te wykonują ponad 45 tysięcy obliczeń FFT na sekundę. Coraz częściej funkcja FFT jest implementowana w oscyloskopach tak, aby była obsługiwana podobnie jak w klasycznych analizatorach widma. Użytkownik oscyloskopu MXO 4 wykonując pomiary widma nie odczuwa większej różnicy między tym przyrządem a klasycznym analizatorem widma.

Funkcja FFT mierzy widmo w zakresie dynamiki 92 dB. Decyduje o tym przede wszystkim rozdzielczość przetwornika analogowo-cyfrowego. W widmie sygnału uzyskanego z przetwornika A/C pojawiają się zwykle pewne zakłócenia w postaci pojedynczych prążków. Mogą to być np. jakieś harmoniczne, interferencje itp. wynikające np. z niedoskonałości filtrowania sygnałów. Parametrem, który pozwala ocenić odstęp między pełną skalą przetwarzania lub amplitudą sygnału w odniesieniu do najwyższych takich szpilek jest SFDR (Spurious-Free Dynamic Range – rys 9). SFDR oscyloskopu MXO 4 jest równy 68 dBc.

Rys. 9. Graficzna interpretacja parametru SFDR (źródło: https://www.edn.com/using-op-amps-with-data-converters-part-2/)

Pomiary widma z użyciem funkcji „Spectrum” dostarczą informacji analogicznych do tych, które dostalibyśmy z analizatora widma. Przykładowe wyniki pomiarów zostały pokazane na rys 10. Umieszczone zostało na nim także widmo tła. Zakres pomiarowy jest wybierany za pomocą parametrów „Center” i „Span”, albo „Start” i „Stop”.Jest teżopcja „Full span”. Możliwe jest oczywiście ustawienie rozdzielczości widmowej za pomocą parametru RBW, przy czym parametr ten jest ustawiany ręcznie lub automatycznie. Włączenie opcji „Peak table” powoduje wyświetlenie tabelki zawierającej markery ustawiane automatycznie na maksymalnych prążkach widma. Są one wyświetlane tylko wtedy, gdy mieszczą się powyżej poziomu progowego zdefiniowanego przez użytkownika. Dla zachowania czytelności wykresu widmowego liczba markerów jest również określana przez użytkownika.

Rys. 10. Pomiar widma z użyciem sondy bliskiego pola

Wykres jest tworzony czterema niezależnie działającymi metodami: Normal, Min Hold, Max Hold i Average (rys. 11).

Rys. 11. Okno wyboru metody wyświetlania widma

Zwykle mierzone jest pełne widmo sygnału doprowadzonego do wejścia. Funkcja „Spectrum” oscyloskopu MXO 4 ma jeszcze dodatkową opcję bramkowania sygnału. Za jej pomocą można wydzielić fragment sygnału, dla którego ma być zmierzone widmo. Przypadek taki został przedstawiony na rys. 12. Mamy tu do czynienia z sygnałem złożonym z występujących naprzemiennie fragmentów przebiegu sinusoidalnego i prostokątnego. Ustawiając odpowiednio granice bramkowania uzyskujemy widmo wydzielonego fragmentu przebiegu. W sytuacji z rys. 12 został zaznaczony fragment sinusoidalny, którego widmo jest widoczne pod przebiegiem czasowym. Analogicznie na rys. 13 obserwujemy fragment przebiegu prostokątnego występującego w tym samym sygnale.

Rys. 12. Pomiar widma z bramkowaniem fragmentu wykresu czasowego – zaznaczony przebieg sinusoidalny

Rys. 13. Pomiar widma z bramkowaniem fragmentu wykresu czasowego – zaznaczony przebieg prostokątny

Czy zatem oscyloskop MXO 4 może zastąpić superheterodynowy analizator widma? Na to pytanie nie ma prostej odpowiedzi. Zakres pomiaru widma funkcją „Spectrum” zależy od szerokości pasma oscyloskopu. Dla modelu o paśmie 1 GHz parametr SPAN jest równy 1,2 GHz. Trzeba jednak pamiętać, że te darowane 200 MHz leży już w zakresie 3-decybelowego spadku charakterystyki, co może mieć znaczenie w pomiarach amplitudowych. Z kolei dla oscyloskopu o paśmie 1,5 GHz parametr SPAN jest równy 1,8 GHz. Znacznie lepiej, ale czy wystarczająco? Normy EMC wymagają pasma co najmniej 6 GHz. Pełnych badań zatem nie wykonamy, ale proste badania precompliance prowadzone na własnym biurku przed oddaniem sprzętu do certyfikacji w akredytowanym laboratorium będą jak najbardziej możliwe. Rohde & Schwarz oferuje zestaw sond bliskiego pola, które bez problemu mogą być dołączone do wejść pomiarowych oscyloskopu.

Analiza protokołów

Opcjonalne kanały cyfrowe z definicji służą do analizy różnych zależności czasowych pomiędzy wieloma przebiegami cyfrowymi. Niegdyś pomiary takie były wykonywane z pomocą specjalizowanych analizatorów stanów logicznych. Dzisiaj przyrządy te trafiają do lamusa i są zastępowane oscyloskopami cyfrowymi. Jak już wiemy do oscyloskopów rodziny MXO 4 można dołączyć 16-kanałową sondę cyfrową, dzięki której oscyloskop zyskuje funkcje charakterystyczne dla analizatora stanów logicznych nie tracąc przy tym zdolności pomiarowych typowych dla oscyloskopu. W ten sposób, jeśli w oscyloskopie jest zainstalowana opcja Mixed signal – R&S MXO4-B1, możliwa jest obserwacja przebiegów cyfrowych pod kątem realizacji funkcji logicznych, ale równocześnie można obserwować analogową postać tych przebiegów, np. w celu określenia takich parametrów jak czasy narastania i opadania zboczy, rzeczywistych poziomów napięciowych czy zakłóceń.

Wbrew pozorom sama analiza mniej lub bardziej powiązanych ze sobą przebiegów cyfrowych jest stosunkowo mało atrakcyjna. W zasadzie nożna je tylko obserwować i samodzielnie wyciągać wnioski czy wszystkie sygnały są prawidłowe. Obecnie wszechobecne są różnorodne interfejsy komunikacyjne realizujące wymianę danych poprzez odpowiednio do potrzeb zaimplementowane protokoły. Niektóre z nich są proste, ale większości z nich nie da się już analizować metodą wzrokową. Potrzebne jest jakieś rozwiązanie, które czy to metodą sprzętową czy programową będzie potrafiło rozpoznać wszystkie sytuacje występujące na liniach interfejsu. I znowu uwidacznia się tu korzyść z zastosowania układu ASIC w oscyloskopach MXO 4. To one przejmują część obowiązków zawiązanych z analizą protokołów. Użytkownik dostaje gotowy wynik np. w postaci oscylogramu przedstawiającego transmisję danych. Duża pamięć w połączeniu jeszcze z możliwością jej segmentacji pozwala analizować bardzo długie ciągi danych, wyszukiwać w nich określonych sekwencji, reagować na błędy transmisji itp. Lista protokołów analizowanych oscyloskopem MXO 4 została zawarta w tab. 2 (na końcu artykułu).

Aplikacje

Pewna część funkcji oscyloskopów rodziny MXO 4 jest udostępniana opcjonalnie. Musimy się z tym pogodzić, czy tego chcemy czy nie. Na szczęście polityka R&S jest na razie taka, że opcje są kupowane dożywotnio, a nie na zasadzie okresowej subskrypcji. Jedną z takich aplikacji jest FRA – Frequency Response Analysis. Na pewno bardzo polubią ją konstruktorzy mający do czynienia z wszelkiego rodzaju filtrami, wzmacniaczami lub innymi układami, dla których ważnym parametrem są zależności częstotliwościowe. Aplikacja służy właśnie do wyznaczania takich charakterystyk. W trakcie pomiaru używany jest jeden kanał generatora i jeden kanał pomiarowy oscyloskopu. Staje się więc on wobuloskopem podającym na wejście badanego urządzenia (DUT) sygnał sinusoidalny o przemiatanej w zadanym zakresie częstotliwości, mierząc jednocześnie sygnał na wyjściu DUT. Użytkownik decyduje o dolnej i górnej częstotliwości przemiatania (max. od 10 Hz do 100 MHz), amplitudzie sygnału wejściowego i liczbie punktów pomiarowych. Przykład pomiaru prostego korektora graficznego z regulacją barwy tonów niskich i wysokich został pokazany na rys 14a…d. Wykresy przedstawiają przypadki dla wszystkich kombinacji skrajnych położeń potencjometrów. Zawierają charakterystyki amplitudowe i fazowe.

Rys. 14. Charakterystyka częstotliwościowa korektora barwy tonu zdjęta za pomocą aplikacji FRA

Komunikacja z otoczeniem, praca zdalna

Od współczesnych urządzeń pomiarowych, szczególnie wyższej klasy, wymagana jest praca zdalna. Oscyloskopy MXO 4 mogą być dołączane do sieci LAN, poprzez którą są widoczne np. w przeglądarce internetowej i mogą być za jej pośrednictwem sterowane zdalnie. Sterowanie przyrządem może odbywać się również poprzez klienta VNC pod warunkiem zainstalowania odpowiedniego oprogramowania na komputerze. Producent udostępnia zestaw komend, za pomocą których można zmieniać nastawy przyrządu oraz zbierać dane pomiarowe. Więcej informacji na ten temat można znaleźć w Przewodniku użytkownika przygotowanym przez producenta.

Oprzyrządowanie dodatkowe

Oscyloskopy MXO 4 są sprzedawane z zestawem standardowych sond napięciowych. Rohde & Schwarz oferuje ponadto inne akcesoria, które mogą współpracować z tymi przyrządami. Należą do nich np. wspomniane wcześniej sondy bliskiego pola (fot. 1a), sondy cyfrowe RT-ZL04 (fot. 1b), sonda prądowa (fot. 1c) i sonda różnicowa (fot. 1d). Oprzyrządowanie to jest przydatne, wręcz niezbędne w niektórych pomiarach, a także znacząco poszerza funkcjonalność oscyloskopu.

Fot. 1. Wyposażenie dodatkowe oscyloskopów MXO 4, a) sondy bliskiego pola, b)sonda cyfrowa, c) sonda prądowa, d) sonda różnicowa

Spostrzeżenia

Oscyloskopy R&S charakteryzują się wysoką jakością, przemyślaną konstrukcją zawierającą wiele innowacyjnych rozwiązań, oryginalnym designem oraz dobrą strategią marketingową. Nie oznacza to jednak, że nie zdarzają się wpadki, szczególnie gdy mamy do czynienia z pierwszymi egzemplarzami serii. Historia pokazuje, że firma szybko reaguje na uwagi zgłaszane przez użytkowników i w miarę możliwości opracowuje update’y oprogramowania, ewentualnie podejmuje inne działania mające na celu wyeliminowanie błędów i niedociągnięć.

Do artykułu został udostępniony oscyloskop krótko po jego premierze z oprogramowaniem w wersji 1.2.3.0. W zasadzie większość funkcji działała poprawnie. Do nowego interfejsu można przyzwyczaić się względnie szybko. Jest on dość intuicyjny, chociaż każdy ma swoje przyzwyczajenia, niekoniecznie takie same, jakie miał programista tworzący oprogramowanie oscyloskopu. Przydałby się być może jakiś przycisk, najlepiej mechaniczny, nie ekranowy, umiejscowiony w jednym miejscu i zawsze dostępny, pełniący funkcję powrotu do poprzedniego poziomu menu lub w ogóle do menu głównego. Przycisk taki powodowałby wycofanie się z jakiejś podjętej akcji lub kończyłby pracę z aplikacją. Mógłby mieć opis np. „Escape”, albo „Back”. Nie można go oczywiście mylić z funkcją „Undo”, która ma zupełnie inne znaczenie. Nawiasem mówiąc taki przycisk (Undo) choćby tylko w wersji ekranowej, ale widoczny na stałe, byłby również sporym ułatwieniem. Aktualnie można go co najwyżej dodać do menu konfigurowanego przez użytkownika. Twórcy oprogramowania prawdopodobnie wyszli z założenia, że ekran ma ograniczoną powierzchnię dla menu i zrezygnowali z umieszczenia na nim przycisku Undo na stale,

Ewidentnym mankamentem są natomiast funkcje zapisywania i odczytywania przebiegów i setupu. O ile zapis przebiega jak się wydaje prawidłowo, to dostęp do plików w celu ich zastosowania nie funkcjonuje już tak dobrze. Być może w czasie testów były wykonywane czynności inne niż założył sobie twórca oprogramowania. Niezależnie od tego, po zainicjowaniu zapisu oscyloskop… zamiera. Nic nie działa, nie ma reakcji na jakiekolwiek przyciski, kursor myszki zastyga w bezruchu. Zapis trwa kilka dobrych, może nawet kilkanaście sekund, a na ekranie nie wyświetla się żaden komunikat typu „wait”, albo „saving in progress”. Mniej cierpliwi użytkownicy prawdopodobnie zrobią Off-On przyrządu zanim zapis się zakończy. Á propos – czas osiągnięcia pełnej gotowości do pracy po włączeniu zasilania wynosi ok. 51 sekund. Jest to całkiem niezły parametr, niektóre oscyloskopy potrafią bootować się dużo dłużej.

W trakcie pomiarów wykonywanych oscyloskopem MXO 4 wielokrotnie była uruchamiana funkcja „Autoset”. Można zaobserwować, że dla sygnałów o małej amplitudzie dość często ustawiana jest zbyt szybka podstawa czasu, którą należy później ręcznie korygować. Było tak na przykład w trakcie opisanego wcześniej pomiaru sygnału sinusoidalnego z wewnętrznego generatora (nr 1) o częstotliwości 1 kHz. Po wprowadzeniu amplitudy 600 mV_pp automatyka ustawiła podstawę czasu na 400 ns/dz, która byłaby dobra dla przebiegu rzędu 300 kHz.

Skoro już jesteśmy przy generatorze, to niestety tu też można mieć pewne zastrzeżenia. Przede wszystkim brakuje choćby jakiegoś najprostszego edytora przebiegów arbitralnych, za pomocą którego byłoby możliwe szybkie zdefiniowanie własnego przebiegu bez używania narzędzi zewnętrznych, np. Excela. Nawiasem mówiąc w manualu nie ma opisu, jak taki tworzony w Excelu pik zapisywany później w formacie CSV powinien wyglądać. Druga metoda polega na tworzenia plików arbitralnych poprzez kopiowanie przebiegu z wybranego aktywnego wejścia pomiarowego. Nie można go jednak zapisać bezpośrednio do pamięci generatora, wcześniej taki przebieg musi być zapisany jako referencyjny. Trudno powiedzieć, z czego wynika takie utrudnienie.

Podczas testowania oscyloskopu zdarzyło się niestety kilka razy całkowicie zawiesić oprogramowanie, a nawet spowodować automatyczny reboot. Były to jednak na tyle sporadyczne przypadki, że nawet nie zostały uchwycone momenty, w których to nastąpiło, trudno w związku z tym wskazać potencjalną przyczynę tego zjawiska.

Ostatnim, dość poważnym jak się wydaje, mankamentem oscyloskopu MXO 4 jest brak trybu pracy X-Y. Jest on używany np. do wyznaczania charakterystyk przejściowych, wzmacniaczy, tłumików, do wyznaczania charakterystyk elementów elektronicznych itp. Może to o tyle dziwić, że tryb X-Y nie jest trudny w implementacji.

Sformułowane spostrzeżenia stanowią subiektywną ocenę autora i nie ze wszystkim trzeba się zgodzić. Każdy użytkownik oscyloskopu może mieć oczywiście własne przyzwyczajenia i oczekiwania.

Tab. 2. Najważniejsze dane techniczne oscyloskopów rodziny MXO 4