Новые технологии в средствах измерения.

Осциллографы с Цифровым Люминофором.

Основные особенности.

Современная осциллографическая техника разделилась на два основных класса (технологии): аналоговые осциллографы (АО) и цифровые осциллографы (ЦО). Совершенствование технологий средств измерения тесно связано с процессом развития цифровых методов обработки данных. Анализ современных тенденций в применении осциллографической техники свидетельствует о заметном спаде интереса к АО. В то время как ЦО можно обнаружить в арсенале практически каждого инженера. Однако многие специалисты, особенно те, кто занимается исследованием коммуникационных, быстропротекающих или аналоговых сигналов в реальном времени, не торопятся расставаться с обычным АО. Поскольку АО и ЦО имеют взаимно исключающие возможности, современный инженер не в состоянии обойтись одним из классов осциллографов при исследовании сложных (компонентных) сигналов.

Современные ЦО обеспечивают:

одновременное измерение в нескольких каналах, программно компенсируя задержки по каналам,
проведение рутинных автоматических измерений основных параметров сигнала,
расширенные возможности по синхронизации,
сохранение и передачу измеренных сигналов для дальнейшей обработки.

АО имеют два основных преимущества, которые до сегодняшнего дня были недоступны ЦО,

· высокая частота отображения сигнала на дисплее, т.е. малое время между окончанием вывода осциллограммы на экран электроннолучевой трубки и началом запуска синхронизации. Это время ничтожно мало и определяется временем обратного хода луча.

· градации по яркости. Яркость определяется зависимостью свечения люминофора от скорости прохождения луча электроннолучевой трубки (ЭЛТ).

Но АО, без дополнительных приспособлений, не способны запоминать, измерять и анализировать сигналы.

«Цифровой люминофор» - Новая Технология.

Объединение лучших черт цифровой и аналоговой технологий в одном приборе вылилось в создание новой архитектуры осциллографов, вначале была реализована технология Insta Vu ^TM, увеличивающая скорость вывода сигнала на дисплей до 400000 осциллограмм в секунду. Последняя техническая реализация, придающая экранам цифровых осциллографов динамику ЭЛТ АО, получила название Digital Phosphor Oscilloscopes (DPO) - Осциллографы с Цифровым Люминофором.

DPO – предлагает все традиционные преимущества ЦО, от памяти до изощренной синхронизации, а также отображает сигнал на дисплее с градацией по яркости в режиме реального времени (цифровая эмуляция химического процесса свечения ЭЛТ), тем самым обеспечивая трехмерную информацию о сигнале: амплитуду, время и интенсивность (распределение амплитуды во времени). Это превращает цифровой осциллограф в универсальный инструмент для исследования формы сигналов.

На рисунке 1 представлена упрощенная блок-схема DPO.

Рисунок 1.

В DPO сигнал сначала оцифровывается, как в типовом ЦО, затем данные преобразуются и размещаются в трехмерной базе данных, структура которой соответствует экранному растру. Оттуда информация периодически отсылается в систему дисплея, которая обслуживается собственным процессором. Следует отметить, что системный процессор DPO не загружен задачами дисплейного управления, процессор предназначен для автоматического измерения и анализа – это отличительная черта DPO от типового ЦО. Такая параллельная обработка необходима для DPO, чтобы поддерживать высокую скорость сбора и отображения трехмерной информации о сигнале.

Сердце DPO – Процессор Представления Сигнала (Waveform Imaging Processor). Процессор DPX^TM(технология КМОП, 0,65мкм, 1,3 миллиона транзисторов) преобразует оцифрованный сигнал в дисплейный кадр в виде растровой структуры. Эти кадры накапливаются в динамической трехмерной базе данных, называемой «Цифровой Фосфор» (Digital Phosphor), и представляющей собой массив данных 500х200. Каждому элементу массива соответствует пиксель на дисплее. При этом в массиве создается карта интенсивности сигнала: если сигнал проходит многократно через одну точку, факт многократного прохождения отражается на карте. Результатом всех преобразований является след сигнала, яркость которого изменяется пропорционально интенсивности появления сигнала в каждой точке – по типу «градации серого», как происходит на ЭЛТ АО. На рисунке 2 представлен метастабильный сигнал, иллюстрирующий этот эффект (сверху сигнала показана гистограмма интенсивности, т.е. распределение амплитуды во времени). В отличие от монохромного дисплея, DPO имеет возможность градацию по яркости выразить в цветовой гамме.

Рисунок 2.

Архитектура DPO позволяет записывать более 200000 дисплейных кадров в секунду, что в 1000 раз быстрее, чем типовой ЦО. Пересылка кадра из «Цифрового Фосфора» на дисплей происходит 30 раз в секунду. При этом процесс работы АЦП не прерывается, в результате чего «образ» реагирует на изменение сигнала в реальном времени, а избыток данных точно отображает мельчайшие изменения сигнала.

Время работы АЦП типового ЦО занимает не более 1%, остальная часть времени затрачивается на обработку сигнала для отображения на дисплее, при этом все изменения сигнала за этот период игнорируется. Для отображения нестационарных изменений в ЦО иногда используется метод «накопления», но отображение происходит не в реальном времени, а после обработки.

Таким образом, для исследования сигналов в реальном времени необходим осциллограф с цифровым люминофором. DPO имеет высокую скорость сбора и вывода информации, следовательно, он не пропустит короткий, нестационарный сигнал, а градация по яркости позволяет рассмотреть все нюансы на осциллограмме.

Использование DPO на реальных сигналах.

Как мы видели, АО и ЦО имеют свои сильные и слабые стороны. DPO впервые сосредоточил в себе положительные стороны как одного, так и другого, и поэтому превосходит каждый в отдельности. Наилучший способ убедиться в этом – посмотреть на некоторые примеры измерения реальных сигналов.

· Исследование компонентных сигналов с большим периодом повторения.

Сигналы, собранные в пакет из множества высокочастотных компонентов, со сравнительно большими периодами повторения особенно трудно достоверно измерять с помощью ЦО. Одним из примеров такого сигнала является композитный видеосигнал. Для просмотра длительного интервала (строки или полей), необходимо использовать медленную развертку по горизонтали, но для того, чтобы не исказить индивидуальные детали высокочастотных импульсов, требуется быстрая развертка.

До сих пор единственным решением для просмотра подобных сигналов было использование возможностей АО. Осциллограмму на дисплее АО принято расценивать как «правильную форму» сигнала. Сигнал на дисплее АО выглядит, как представлено на Рисунке 3а.

Но АО не имеет возможности сохранять, измерять и анализировать сигналы.

Рисунок 3а Рисунок 3в Рисунок 3с

Для просмотра длительного интервала на ЦО необходимо установить развертку, а следовательно, и скорость выборок АЦП достаточно медленную. Сигнал на дисплее ЦО выглядит, как представлено на рисунке 3в. Использование слишком медленной, по сравнению с высокочастотным сигналом, скорости выборки АЦП приводит к искажению сигнала. Пример искажений представлен на рисунке 4, частота сигнала на дисплее гораздо ниже, чем у исходного сигнала.

Рисунок 4.

Проблема искажения высокочастотного сигнала при медленной скорости выборки АЦП, оставалась долгие годы не решенной. Видеосигналы, сигналы служебных каналов дисководов, сигналы беспроводной связи, коммуникационные сигналы и многие другие, которые представляют собой длинные пакеты, состоящие из более коротких импульсов, заставляли инженеров использовать возможности АО. С появлением DPO проблема оцифровки и измерения подобных сигналов решена.

Большое количество данных DPO, снимаемых со скоростью более 100 миллионов точек в секунду, решает проблему искажения высокочастотного сигнала, снятого при медленной развертке. Показанная на рисунке 3с осциллограмма видеосигнала снята без искажений, хорошо синхронизирована и легко читаема. Части осциллограммы выделены по яркости, что указывает на частотные свойства сигнала; на дисплее ЦО такая градация по яркости в реальном времени полностью отсутствует. Также следует обратить внимание, что показанный сигнал – это периодический испытательный сигнал. Если бы это был «живой» видеосигнал с динамическими изменениями, то различия были бы еще более ощутимы.

· Исследование нестационарных сигналов.

Способность фиксировать случайные или редко возникающие события делает DPO идеальным инструментом для отладки даже очень насыщенных электронных проектов. Здесь снова положительную роль играет экстраординарная скорость вывода на дисплей и то, что АЦП опрашивается процессором DPO непрерывно. Это означает крайне малую вероятность того, что случайные переходные процессы или короткие нестационарные импульсы могут быть не замечены DPO. Кроме того, градация по яркости только подчеркивает малую частоту появления этих нестационарных импульсов относительно других компонентов сигнала. На рисунке 5 показан сигнал с шумом и неустойчивыми переходными процессами. Короткий импульс появляется гораздо реже, чем основной сигнал, это выражено уменьшением его яркости. Способность обнаруживать такие отклонения имеет определяющее значение при разработке электронных проектов.

Рисунок 5.

· Исследование сигналов в режиме развертки XY.

XY режим – традиционное преимущество аналоговых осциллографов, и до последнего времени им не было никакой альтернативы при сравнения фазовых характеристик двух сигналов. Сегодня сложные цифровые модулированные сигналы для телекоммуникаций требуют от ЦО предоставления дополнительных возможностей. На рисунке 6 показана диаграмма QAM сигнала, отображаемая на дисплее DPO. Лепестки, описывающие 90 градусную фазу сдвига точек, устойчивы и хорошо прорисованы.

Рисунок 6.

ЦО просто не в состоянии отобразить подобный сигнал на своем дисплее, так как не обеспечивают достаточной плотности и непрерывности оцифровки сигнала. Кроме того, цветовая градация на дисплее DPO увеличивает разрешающую способность по сравнению с монохромным дисплеем АО.

Новый уровень анализа данных.

Поскольку DPO хранит данные о форме сигнала в динамической трехмерной базе данных, то из нее легко может быть получена статистическая информация об этом сигнале. Построение гистограмм является встроенной функцией осциллографа. Гистограмма может быть построена как для реального, так и для запомненного во внутренней памяти сигнала. Для расчета гистограммы используется количественная информация относительного распределения сигнала, которая хранится в динамической трехмерной базе («цифровом фосфоре») DPO. На рисунке 2 представлена гистограмма, данные для построения выбираются маркерами (в данном случае видна двойная горизонтальная полоса в центре). Трехмерная база данных также может экспортироваться через GPIB порт во внешний компьютер для обработки и анализа. По этим данным можно построить трехмерное изображение сигнала, по оси X – время, по оси Y– амплитуда и по оси Z – интенсивность. На рисунке 7 показано трехмерное изображение видеосигнала, полученное из данных «цифрового фосфора».

Рисунок 7.

Для увеличения разрешающей способности возможно, использование цветовой градации, подобно дисплею DPO.

Заключение.

Новая технология осциллографов с цифровым люминофором (DPO) значительно превосходит возможности аналоговых и цифровых осциллографов, обладая при этом следующими преимуществами:

Сверхвысокой скоростью сбора и вывода данных на дисплей.
Возможностью обеспечения на цветном дисплее трехмерной информации о сигнале (амплитуда, время, интенсивность).
Возможностью исследования сложных сигналов без искажений.
Современными методами анализа данных посредством трехмерного изображения сигнала.

Разработка осциллографов с технологиями Insta Vu ^TM и Digital Phosphor Oscilloscopes (DPO) принадлежит компании TEKTRONIX.

1 марта 2000 года ведущее издание в индустрии измерительного оборудования, журнал «Test and Measurement World», присудил осциллографам серии TDS 3000 DPO, разработанным в 1999 году компанией TEKTRONIX, первую премию "Best in Test", как самым популярным (реализовано более10000штук) моделям года.

Лучшие приборы:

Осциллографы DPO-3000

Новые осциллографы серии DPO3000 обеспечивают поддержку запуска и декодирования для самых популярных последовательных шин, используемых при проектировании встроенных систем. Кроме того, осциллографы этой серии обладают стандартной длиной записи 5 МБ и используют популярное средство навигации и поиска Wave Inspector™, которое упрощает поиск нужных событий. Новый портативный прибор DPO3000 упрощает отладку и устанавливает новые стандарты эффективности, цены и удобства пользования. В модельном ряду двухканальные и четырехканальные осциллографы с полосой пропускания от 100 до 500 МГц.
Металлоиcкатель ACE-250

Грунтовый металлоискатель ACE-250 предназначен для поиска металлических объектов. Имеет режим дискриминации целей, что позволяет производить поиск избирательно: монеты, золото, серебро, кольца и т. п. Он оснащен такими функциями, как установка чувствительности, исключение из поиска нежелательных объектов, а также имеет режим пин-поинтинга, в котором вы можете легко отыскать обнаруженный объект в земельном отвале. Этот простой и понятный прибор идеально подойдет тем, кто решил перенести поиск на пляж. Фиксированная настройка на грунт обеспечит спокойную работу на большинстве видов почв.
Токовые клещи АТК-4001

Этот прибор не только токовые клещи, измеряющие ток в цепи бесконтактным методом! Основным его достоинством является возможность измерения сопротивления без разрыва цепей заземления. Больше не нужно демонтировать электрооборудование, чтобы произвести замеры сопротивления. Кроме измерения сопротивления заземления, АТК-4001 позволяет измерять ток утечки и производить бесконтактную прозвонку цепи.