Влияние времени простоя цифрового осциллографа на измерения

Все цифровые осциллографы имеют некоторое время простоя. Так, пользователь может пропустить важные события в сигнале, происходящие в испытываемом приборе на протяжении этого времени. Следовательно, необходимо понять влияние времени простоя на измерения. В настоящей статье объяснены основные причины появления времени простоя и указано, почему важным фактором является высокая скорость сбора данных. Кроме того, в нем пояснены возможности осциллографов R&S RTO и то, каким образом они помогают ускорить отладку, измерения и анализ.

Что такое время простоя? Возможно, кто-то помнит первые цифровые осциллографы, появившиеся в начале восьмидесятых годов. Они знаменовали собой революционное изменение технологии, однако, также потребовали изменения сложившихся у пользователей представлений. Использование цифровых технологий предоставило преимущество постобработки сигнала и постоянного хранения данных, однако, это достигалось ценой малых частот обновления экрана. С течением времени цифровые осциллографы претерпели огромные улучшения и почти полностью заменили аналоговые осциллографы. Однако насколько в действительности можно доверять отображению цифровым осциллографом измеряемого сигнала? Знаете ли вы, что осциллограф большую часть времени находится в простое? И как это влияет на способность выявлять ошибки сигнала в сложных системах? Как выполнить работу и не получить в конце пути - БУТЕРБРОД, вместо результата?

Архитектура цифрового осциллографа. Для того чтобы понять происхождение времени простоя требуется базовое понимание устройства цифрового осциллографа. На рисунке 1 показаны типовые модули, входящие в состав цифрового осциллографа.

Измеряемый сигнал прикладывается ко входу осциллографа и проходит через аттенюаторы или усилители системы вертикального отклонения. Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) через регулярные промежутки времени производит выборку сигнала и преобразует соответствующие амплитуды сигнала в дискретные цифровые величины, называемые «точками выборки». Блок сбора данных выполняет функции обработки, такие как фильтрация и прореживание выборки. Выходные данные хранятся в памяти как «отсчеты выборки сигнала». Число отсчетов в записи сигнала определяется задаваемой пользователем «длиной записи». В зависимости от нужд пользователя, в дальнейшем с этими отсчетами выборки сигнала может быть проведена постобработка. В её задачи входят арифметические функции, например, усреднение, математические операции, например, КИХ-фильтрация, автоматические измерения, например, времен нарастания и спада, и функции анализа, например, построение гистограмм или испытания на соответствие маске. Другими примерами постобработки являются декодирование протоколов, анализ джиттера и анализ векторных сигналов. У цифрового осциллографа нет принципиальных ограничений на этапы обработки, выполняемые с отсчетами выборки сигнала. В зависимости от архитектуры осциллографа такие функции постобработки выполняются программным образом, посредством центрального процессора прибора, или аппаратным, посредством специализированных ИС или программируемых пользователем логических матриц (FPGA — Field Programmable Gate Array). После этого конечные результаты представляются пользователю на экране осциллографа. После завершения этого цикла — от оцифровки до отображения сигнала — осциллограф готов к регистрации следующего сигнала.

Время простоя — характеристика цифровых осциллографов Пользователи аналоговых осциллографов привыкли видеть на экране почти все подробности сигнала. Свечение люминофора экрана создает естественное послесвечение, которое используется для быстрого обнаружения аномалий сигнала. В то время как аналоговым осциллографам необходимо только вернуть в исходное состояние систему горизонтального отклонения для следующего хода развертки электронного луча, цифровые осциллографы тратят большую часть цикла сбора данных на постобработку отсчетов выборки сигнала [1]. В течение этого времени обработки цифровой осциллограф находится в простое и не может отслеживать измеряемый сигнал. Следовательно, цифровые осциллографы способны делать только отдельные «снимки» измеряемого сигнала. Хотя многие пользователи цифровых осциллографов не знают о том, что осциллограф большую часть времени находится в простое, эта характеристика существенно влияет на количество зарегистрированных и, в конечном счете, отображенных деталей сигнала.

Определения цикла сбора данных, скорости сбора данных и коэффициента времени простоя. На рисунке 2 показан пример цикла сбора данных. Цикл сбора данных состоит из времени активного сбора данных и периода простоя. На протяжении времени активного сбора данных осциллограф регистрирует определенное число отсчетов выборки сигнала и записывает их в память. Время простоя в цикле сбора данных состоит из постоянного и переменного промежутков времени. Постоянные части определяются индивидуальной архитектурой прибора. Переменная часть зависит от времени, необходимого на постобработку, и является функцией числа отсчетов выборки сигнала (длительности записи и количества активных каналов) и числа выбранных функций постобработки (например, интерполяция, математические функции, измерения и анализ). На заключительном этапе периода простоя графический процессор подготавливает отсчеты выборки сигнала для отображения, а осциллограф возвращает триггер в исходное состояние и готовит его к новому циклу сбора данных.

Отношение времени активного сбора данных к времени простоя является важной характеристикой цифрового осциллографа. Его можно определить либо как коэффициент времени простоя, либо как скорость сбора данных о сигнале. Например, если время активного сбора данных 100 нс, а время простоя 10 мс, то общий цикл сбора данных составляет 10,0001 мс. Это дает коэффициент времени простоя 99,999% и скорость сбора данных менее 100 осциллограмм в секунду.

Большое количество данных — проблема вычислительной мощности Естественной реакцией на обсуждаемые до сих пор вопросы было бы сказать: «Давайте создадим более быстрый цифровой осциллограф с увеличенной вычислительной мощностью и конвейерной архитектурой». Однако такое решение потребовало бы огромных вычислительных мощностей. Например, цифровой осциллограф с 8-битным АЦП и частотой дискретизации 10 Гвыб/с непрерывно производит 80 Гбит данных, которые необходимо обработать и отобразить. Кроме того, к отсчетам выборки сигнала часто применяются цифровая фильтрация, арифметические операции, функции анализа и измерений, что также требует дополнительной вычислительной мощности. В настоящее время обработка в реальном масштабе времени, без времени простоя для цифрового осциллографа, используемого в условиях лаборатории, нереализуема. Тем не менее, необходимость как можно более короткого времени простоя остается в силе, поскольку инженеры не хотят пропустить важные детали сигнала и, для получения надежных результатов анализа, нуждаются в большом количестве зарегистрированных сигналов.

Измерение времени простоя осциллографа Имеются различные способы определения фактической скорости сбора данных и соответствующего времени простоя цифрового осциллографа. Поскольку скорость сбора данных может изменяться в зависимости от настроек прибора, оценка должна проводиться для используемых условий измерения. Некоторые осциллографы оснащены счетчиком собранных данных, другие имеют дисплей, непосредственно отображающий параметры скорости сбора данных. Другой возможностью служит наблюдение за сигналом запуска осциллографа. Каждый нарастающий фронт обозначает новый цикл сбора данных. Необходимо быть внимательным и убедиться, что в сигнале источника события запуска встречаются более часто, чем предполагаемая скорость сбора данных. В противном случае результаты измерения не покажут действительных характеристик осциллографа.

Каково влияние времени простоя? После того как в разделе 1 приведена общая информация о наличии времени простоя, возникает естественный вопрос: как влияет время простоя на измерения, выполняемые осциллографом? Пользователь осциллографа ожидает высокой достоверности и доверяет отображаемым сигналам. Это включает ожидания точного представления времени и амплитуды, а также полное отслеживание поведения сигнала во времени.

Невидимые аномалии сигнала. В типичном варианте испытаний пользователь выполняет ряд измерений, для того чтобы определить источник ошибочного поведения системы. Другим вариантом может быть тот, когда пользователь старается подтвердить безошибочную работу на протяжении многих периодов сигнала. Разумным подходом для такого рода задач является использование стандартного события запуска, такого как «фронт», и включение режима послесвечения, для того чтобы отслеживать изменения сигнала во времени (смотрите рисунок 4). Этот режим можно использовать, для того чтобы выделить редкие события в сигнале различной яркостью или различным цветом. После того как пользователю становится известна форма ошибки сигнала, он может вновь запустить сбор данных с соответствующим условием запуска, таким как ширина выброса или амплитуда ранта. Однако такой двухэтапный подход возможен только при повторяющемся поведении сигнала. Нахождение неизвестного события в сигнале невозможно. С другой стороны, на рисунке 3 показано, что события в сигнале, возникающие во время простоя, не будут зарегистрированы и, следовательно, не будут отображены. Они остаются невидимыми для пользователя. Обнаружить ошибки такого рода можно, если только аномальное поведение сигнала повторяется с течением времени. При больших временах наблюдения увеличивается вероятность, что ошибочное поведение сигнала совпадет со временем активного сбора данных осциллографом.

Влияние времени простоя на измерения. Пользователь цифрового осциллографа должен быть осведомлен о том, что этот измерительный инструмент регистрирует только части сигнала. В следующем разделе обсуждаются несколько областей, в которых время простоя влияет на результаты измерения.

Быстрота реагирования прибора. Наиболее очевидным следствием времени простоя является быстрота реагирования прибора. Пользователи осциллографа часто увеличивают временную развертку, для того чтобы увеличить вероятность регистрации трудноуловимого события. На данном этапе это может быть неочевидно, однако, увеличение временной развертки действительно может привести к уменьшению коэффициента времени простоя. К сожалению, увеличение длительности записи приводит к снижению скорости сбора данных и значительному уменьшению частоты обновления осциллограмм. Это может оказаться крайне неудобно, если настройки прибора необходимо изменить в режиме непрерывной регистрации. После каждого изменения настроек, которое требует нового цикла сбора данных, пользователь вынужден делать паузу и ждать, пока результат этого изменения отобразится на экране.

Понравилась статья? Читайте ее всю на официальном сайте R&S. Вы узнаете про: Обнаружение редких аномалий сигнала, Достоверность результатов анализа, Уменьшение времени сбора данных при использовании математических и курсорных функций, а также функций масштабирования, Время испытаний, необходимое для регистрации редких событий в сигнале, Какие компромиссы используют применяемые в настоящее время решения для уменьшения времени простоя и т.д.

Присоединяйтесь к нашим проектам: Видео Академия R&S и Клуб Радиоинженеров.

Скоро мы проводим Новогодную встречу Клуба. Тема: Новый подход к построению лабораторий с высоким КПД.

Ваша команда R&S!