ТоварыПроизводителиТехнологииУслугиНовостиО компанииКонтакты ПоискEnglish Site
Главная - Приборы для лаборатории и промышленности - Осциллографы и пробники - Описание технологии DPO
Контакты ООО "Техэнком"

Осциллографы с технологией цифрового люминофора (DPO):
принцип работы технологии, преимущества над обычными цифровыми осциллографами

Содержание страницы:

Краткое вступление

История возникновения

Конструкция DSO

Конструкция DPO

Типовые примеры DPO

Отличаем DSO от DPO

Ещё по этой теме

"Техэнком" в соцсетях:
Страница компании ООО "Техэнком" в Facebook Страница компании ООО "Техэнком" в ВКонтакте Страница компании ООО "Техэнком" в LinkedIn Страница компании ООО "Техэнком" в Twitter Страница компании ООО "Техэнком" в Одноклассниках Страница компании ООО "Техэнком" в Google+ Канал компании ООО "Техэнком" в YouTube

  Осциллографы с технологией цифрового люминофора (DPO): принцип работы технологии, преимущества над обычными цифровыми осциллографами

 

Краткое вступление

Технология цифрового люминофора, которую также называют технологией цифрового фосфора, встречается в осциллографах среднего и профессионального уровня. В англоязычной литературе её называют DPO (Digital Phosphor Oscilloscope). Модели осциллографов, построенные на базе технологии DPO, существенно превосходят по возможностям классические цифровые запоминающие осциллографы, предоставляя разработчикам новые, эффективные инструменты. В этой статье подробно рассказано о том, как работает эта технология и какие преимущества она обеспечивает.

 

История возникновения технологии цифрового люминофора DPO

В 90-е годы в лабораториях США часто на одном столе можно было увидеть новую модель цифрового осциллографа и старенький аналоговый осциллограф, который использовался совместно с цифровым. Почему же цифровой осциллограф не мог полностью заменить аналоговый? Дело в том, что экран аналогового осциллографа покрыт люминофором, содержащим фосфор. После прохождения электронного луча по такому экрану, след от него не гаснет мгновенно, а плавно затухает за доли секунды. То есть экран аналогового осциллографа обладает лёгким послесвечением.

Этот эффект послесвечения позволял визуально наблюдать редко возникающие события и различные аномалии на фоне стационарного периодического сигнала. Также на экране аналогового осциллографа хорошо было видно структуру повторяющихся нестационарных процессов, таких как телевизионные сигналы. А цифровые осциллографы не справлялись с такими задачами. Осциллограмма телесигнала показана ниже.

Пример телесигнала стандарта NTSC

Пример телесигнала стандарта NTSC, с отображением которого не справлялись первые поколения цифровых осциллографов.

 

С другой стороны цифровые запоминающие осциллографы могли записывать в память выборки сигналов, выполнять их постобработку и производить над ними сложные вычисления. Цифровые осциллографы хорошо подходили для анализа периодических сигналов, записи и просмотра цифровых последовательностей, записи однократных событий и автоматического вычисления параметров сигнала, таких как: время нарастания, амплитуда, частота, скважность и др.

Но с появлением технологии DPO ситуация резко изменилась. Осциллографы, построенные на базе этой технологии, не только смогли полностью заменить аналоговые и обычные цифровые осциллографы, но также дополнили арсенал разработчика новыми мощными инструментами. Чтобы лучше понять технологию DPO сначала рассмотрим устройство классического цифрового запоминающего осциллографа.

 

Структура классического цифрового запоминающего осциллографа (DSO)

Обычный цифровой запоминающий осциллограф в англоязычной литературе называется DSO (Digital Storage Oscilloscope). Осциллографы DSO хорошо подходят для работы с периодическими, не изменяющимися сигналами (синусами, меандрами и т.д.). Также эти осциллографы можно использовать для захвата и просмотра однократных событий, например длинных цифровых последовательностей или переходных процессов. Поскольку информация о сигнале оцифровывается и хранится в памяти DSO в виде массива значений, сигнал можно легко анализировать, распечатывать, либо обрабатывать каким-либо иным способом, как в самом осциллографе, так и на внешнем компьютере. Однако такие приборы не отображают в реальном времени градации яркости развёртки сигнала, поэтому осциллографы DSO неспособны наглядно представлять изменяющиеся "живые" сигналы.

Причины недостатков осциллографов DSO кроятся в их архитектуре. На рисунке ниже показано строение типичного цифрового запоминающего осциллографа. После срабатывания системы запуска осциллографа, входной сигнал начинает оцифровываться с помощью АЦП и результаты оцифровки помещаются в память выборок. Через короткий промежуток времени, который зависит от возможностей и настроек осциллографа (размер памяти, скорость оцифровки, установки развёртки и др.), процесс оцифровки сигнала останавливается и начинается обработка массива оцифрованных значений с помощью микропроцессора. Через некоторое время, которое зависит от скорости микропроцессора и объёма данных, изображение сигнала выводится на дисплей. После этого опять включается система запуска и весь цикл повторяется.

Входной сигнал в цифровом запоминающем осциллографе DSO обрабатывается последовательно

Входной сигнал в цифровом запоминающем осциллографе DSO обрабатывается последовательно.

 

Главный недостаток такой структуры - это остановка оцифровки входного сигнала на время обработки уже сохранённых в памяти значений. Типичный DSO осциллограф более 99% времени полностью игнорирует входной сигнал и занимается лишь обработкой и отображением последнего оцифрованного фрагмента. На практике это приводит к невозможности обнаружения многих типов аномалий, либо необходимости долго ждать, пока аномалия рано или поздно попадёт в короткий интервал активной оцифровки входного сигнала.

На этом скриншоте показан фрагмент сигнала, длительностью 1 мкс, захваченный обычным DSO осциллографом серии Tektronix TDS2000. В этом фрагменте обнаружен глитч сигнала цифровой последовательности и правее от него рант сигнала. Обратите внимание на длительное время поиска этой аномалии (обведено красным овалом) - 1 час (1 hour). Есть ещё один момент: чтобы настроить запуск осциллографа на обнаружении такой аномалии, необходимо хотя бы приблизительно знать её амплитуду и длительность. Иначе запуск может попросту не сработать.

Пример экрана осциллографа DSO при длительном поиске аномалий сигнала

Пример экрана осциллографа DSO при длительном поиске аномалий сигнала.

 

Главное достоинство такой структуры - это возможность использования слабых микропроцессоров и вспомогательных цифровых микросхем, что приводит к невысокой стоимости прибора. Поэтому основная масса цифровых запоминающих осциллографов в нижнем ценовом сегменте устроены именно таким образом. А теперь рассмотрим какую структуру имеют осциллографы с технологией DPO.

 

Структура осциллографа с технологией цифрового люминофора (DPO)

В то время, как в осциллографах DSO для захвата, отображения и анализа сигналов применяется технология последовательной обработки, в DPO (Digital Phosphor Oscilloscope) для выполнения тех же задач используется параллельная обработка. Осциллографы DPO построены на основе специализированной ПЛИС (Программируемой Логической Интегральной микроСхемы), которая в реальном времени выполняет обработку оцифрованных значений входного сигнала. Этот подход значительно повышает вероятность обнаружения быстротекущих явлений, происходящих в цифровых и аналоговых системах, таких как повреждённые импульсы, глитчи и различные переходные процессы, а также предоставляет дополнительные возможности анализа. Строение осциллографа с технологией цифрового люминофора DPO показано на этом рисунке.

Входной сигнал в цифровом запоминающем осциллографе DPO обрабатывается параллельно

Входной сигнал в цифровом запоминающем осциллографе DPO обрабатывается параллельно.

 

В то время, как аналоговые осциллографы, используют физические свойства люминофора (его инерционность или послесвечение), в осциллографах DPO применяется технология электронного цифрового люминофора (цифрового фосфора - Digital Phosphor), что на самом деле представляет собой непрерывно обновляющуюся базу цифровых данных. Эта база данных имеет отдельную ячейку памяти для каждого пикселя дисплея прибора. В этих ячейках памяти находится информация о текущей интенсивности сигнала во всех точках экрана. После каждого запуска захвата, результаты текущей выборки сигнала обновляют ячейки базы данных цифрового люминофора. Таким образом, информация об интенсивности больше накапливается в тех ячейках, через которые сигнал проходит чаще всего. Как говорилось выше, вся эта сложная вычислительная работа выполняется отдельной микросхемой в реальном времени, минимизируя любые задержки.

Для наглядной демонстрации того, как это работает, допустим, что экран осциллографа имеет 11 точек по горизонтали и 10 точек по вертикали. В таком случае таблица данных цифрового люминофора также имеет размеры 11х10 ячеек. Графически она представлена на рисунке ниже. Теперь представим, что осциллограф выполнил 9 запусков оцифровки тестового сигнала. Сигнал каждый раз имел слегка отличающуюся форму. Информация о количестве прохождений сигнала через каждую точку экрана сохранялась в таблице значений. Через некоторые точки сигнал прошёл все 9 раз, а через остальные от 0 до 8 раз. Результирующая таблица данных цифрового люминофора из этого примера показана на рисунке. Она позволяет чётко отличить области, через которые сигнал проходил часто, от областей, где он появлялся эпизодически.

Пример таблицы данных цифрового люминофора осциллографов DPO

Пример таблицы данных цифрового люминофора осциллографов DPO.

 

В реальном осциллографе, построенном по технологии DPO, таблица, хранящая количество прохождений сигнала через каждую точку, содержит сотни тысяч значений, а специализированная микросхема DPO обновляет эту информацию со скоростью десятки и даже сотни тысяч раз в секунду. Как видно из сравнительной таблицы технических характеристик осциллографов, осциллографы серии Tektronix DPO2000 обеспечивают скорость обновления до 5 000 раз в секунду, а осциллографы старшей серии Tektronix DPO70000 обновляют таблицу до 300 000 раз в секунду. При помощи DPO легко увидеть разницу между сигналом, захваченным при каждом запуске, и сигналом, захваченным, например, при каждом 1000-ом запуске.

Во время визуализации этой накопленной в памяти осциллографа информации, области экрана, в которых сигнал появляется чаще, отображаются более интенсивными цветами (оттенками красного и жёлтого), а области экрана, в которых сигнал появляется редко, окрашиваются в более тёмные цвета (оттенки синего). Цветовую гамму можно настраивать. Также можно в широких пределах настраивать длительность эффекта послесвечения, ещё больше увеличивая возможности визуализации и анализа.

На этом скриншоте осциллографа с технологией DPO показан цифровой тактовый сигнал. Именно за счёт эффекта цифрового люминофора, который наглядно обобщает тысячи обработанных захватов, можно наблюдать в каких пределах изменяется напряжение в нижней и верхней частях тактовой последовательности. А по интенсивности окраски сигнала можно судить о состояниях, в которых он находится чаще всего. Обратите внимание на синий всплеск в центральной части экрана, который выделен овалом - это неуловимый глитч тактового сигнала, который легко может приводить к сбою работы цифровых схем и который очень трудно поймать средствами запуска обычного цифрового осциллографа DSO, так как амплитуда глитча находится в пределах основного сигнала. Но благодаря технологии DPO подобные аномалии можно легко обнаружить.

Пример реальной работы цифрового люминофора осциллографов DPO

Пример реальной работы цифрового люминофора осциллографов DPO.

 

При помощи осциллографов DPO одинаково удобно исследовать в реальном времени высокие и низкие частоты, периодические сигналы, переходные процессы и комплексные сигналы. Только DPO обладают возможностью представления сигнала в реальном времени по оси Z (градации цвета при отображении на дисплее), что отсутствует у обычных цифровых запоминающих осциллографов DSO.

Технология DPO - это идеальный инструмент для тех, кто занимается разработкой и испытанием цифровых и аналоговых устройств, а также любого электронного оборудования. Осциллографы DPO отлично подходят для глубокого анализа электроники, тестирования телекоммуникационных сигналов по маске, отладки схем с перемежающимися и периодическими сигналами, а также задач, где требуется синхронизация по времени.

 

Типовые примеры использования технологии цифрового люминофора (DPO)

Существуют десятки практических задач, которые могут очень эффективно решаться при использовании осциллографа с технологией цифрового фосфора DPO. Чтобы наглядно продемонстрировать преимущества этой технологии, рассмотрим несколько самых распространённых примеров.

На этом скриншоте показан экран осциллографа серии Tektronix MDO4000. Точка запуска по каналу 1 установлена на 470 мВ. На экране мы видим сигнал в диапазоне от 1 мкс до момента запуска и до 1 мкс после момента запуска. Одновременно на экране представлены результаты срабатывания тысяч запусков. То есть статистическая картина изменения сигнала очень подробная. Как мы видим по градациям цветности, небольшой процент времени сигнал имеет сниженное значение амплитуды - она плавает, периодически уменьшаясь приблизительно в два раза. На такое измерение осциллографу с DPO надо менее 1 секунды.

Пример быстрого обнаружения плавающей амплитуды сигнала с помощью технологии DPO

Пример быстрого обнаружения плавающей амплитуды сигнала с помощью технологии DPO.

 

А вот ещё один пример работы технологии DPO в осциллографе серии Tektronix MDO4000. В данном случае измеряемый меандр имеет стабильную амплитуду, но плавающую частоту. Судя по уровню размытия фронта пятого от точки запуска периода меандра, частота изменяется приблизительно на 10%. С помощью маркеров осциллографа можно провести более точные измерения. Также на осциллограмме виден небольшой переходной процесс, возникающий при резком изменении амплитуды из одного состояния в другое.

Пример обнаружения с помощью технологии DPO изменяющейся частоты сигнала

Пример обнаружения с помощью технологии DPO изменяющейся частоты сигнала.

 

Как уже упоминалось выше, технология цифрового люминофора DPO великолепно справляется с поиском редко возникающих аномалий сигналов: глитчей, рантов, сбоев синхронизации и т.п. На этом скриншоте осциллографа серии Tektronix DPO7000 чётко видно два дефекта сигнала: короткий глитч в начале сигнала и через 150 нс после глитча второй дефект - рант сигнала (импульс, имеющий меньший уровень, чем все остальные импульсы последовательности). Судя по голубому цвету глитча и ранта, они возникают неоднократно, однако значительно реже, чем основной сигнал.

Пример обнаружения глитча и ранта сигнала с помощью технологии DPO

Пример обнаружения глитча и ранта сигнала с помощью технологии DPO.

 

Ещё одно распространённое применение технология DPO находит в проверке соответствия стандартам формы сигналов скоростных цифровых интерфейсов: PCI Express, USB, Serial ATA, Ethernet IEEE 802.3, ANSI X3.263, Sonet/SDH, Fibre Channel, InfiniBand, Serial Attached SCSI, ITU-T/ANSI T1.102, IEEE 1394b, RapidIO, OIF Standards, Open Base Station Architecture Initiative (OBSAI), Common Public Radio Interface (CPRI) и др.

На этом скриншоте осциллографа серии Tektronix DPO70000 показан пример тестирования сигнала шины PCI Express. В качестве критериев соответствия используется маска, параметры которой прописаны в соответствующем международном стандарте. Высокая достоверность проверки достигается за счёт анализа сотен тысяч осциллограмм в секунду, что гарантирует обнаружение даже самых неуловимых отклонений.

Пример проверки соответствия формы сигнала шины PCI Express с помощью технологии DPO

Пример проверки соответствия формы сигнала шины PCI Express с помощью технологии DPO.

 

И, конечно, эффект цифрового люминофора DPO можно в любой момент отключить. Например, при захвате и декодировании длительных цифровых последовательностей он просто не нужен. Для этого на передней панели DPO осциллографов есть специальная кнопка или отдельный пункт меню. На этом скриншоте показан экран осциллографа серии Tektronix MDO3000 при выключенном цифровом фосфоре. Мы видим "обычный" меандр без градаций цветности. Под сигналом располагается таблица с автоматически измеренными параметрами этого меандра: частотой, напряжением от пика до пика и количеством положительных импульсов.

Пример экрана DPO осциллографа с отключённым эффектом цифрового фосфора

Пример экрана DPO осциллографа с отключённым эффектом цифрового фосфора.

 

Существует множество других реальных задач, в которых технология цифрового фосфора DPO существенно упрощает работу разработчика и делает её более эффективной. Если сравнивать аналоговый осциллограф, обычный цифровой DSO и осциллограф с поддержкой DPO, то DPO является наиболее универсальным решением, которое полностью обеспечивает все возможности аналоговых и обычных цифровых моделей, плюс содержит дополнительные мощные инструменты.

 

Как отличить осциллографы DPO от обычных DSO

Все производители осциллографов знают о преимуществах технологии DPO, но только некоторые из них включают эту технологию в свои изделия. Поскольку основа DPO - это отдельная, технически сложная и высокопроизводительная микросхема, осциллографы с DPO стоят дороже и их сложнее разрабатывать и выпускать. Кроме того, отдельные аспекты реализации DPO защищены патентами, что ещё больше усложняет для большинства компаний выпуск таких осциллографов.

Но техническое превосходство DPO и расширенные возможности, которые предоставляет эта технология в руки инженеров, заставляют многие компании добавлять в свои обычные модели DSO возможности, которые имитируют работу DPO. Например, за счёт набора большого количества захватов и их последующей программной обработки микропроцессором, некоторые осциллографы DSO могут выводить изображение, содержащее градации цветности сигнала. Но полноценный осциллограф DPO получит такую картинку за доли секунды, а DSO могут понадобиться минуты и даже часы для набора такого же количества измерений.

На этом скриншоте показана эмуляция эффекта цифрового фосфора обычным DSO осциллографом серии Tektronix TDS2000. Фрагмент сигнала, длительностью 0,5 мкс, содержит глитч и часть ранта. Как указано в левой нижней части экрана, было собрано 60502 выборки. Сигнал на экране имеет градации цветности, имитируя работу DPO, но на накопление этой информации понадобилось в сотни раз больше времени, чем полноценному DPO. И если аномалия не периодическая, а однократная, то с вероятностью 99% осциллограф DSO её просто не заметит. Также детализация картинки значительно ниже чем у DPO.

Пример экрана обычного осциллографа DSO при эмуляции эффекта цифрового фосфора

Пример экрана обычного осциллографа DSO при эмуляции эффекта цифрового фосфора.

 

Основной критерий, который позволяет сразу отличить DPO осциллограф от DSO - это скорость непрерывного захвата и анализа осциллограмм, которую реально может обеспечить конкретная модель. Этот параметр указывается в техническом описании осциллографа. Если значение этого параметра менее 1000 осциллограмм в секунду или оно вообще не указано, то перед Вами обычный цифровой осциллограф DSO с последовательной обработкой сигнала. Если значение этого параметра составляет десятки и сотни тысяч осциллограмм в секунду, то это полноценный осциллограф с параллельной обработкой сигнала с помощью аппаратной микросхемы DPO.

Если говорить о модельном ряде осциллографов американской компании Tektronix, то как видно из сравнительной таблицы технических характеристик осциллографов, к обычным DSO относятся младшие серии: TBS1000 и TBS2000, а также две серии с гальванически изолированными каналами: TPS2000 и THS3000. Они могут захватывать и анализировать до 100 осциллограмм в секунду.

Как видно из той же таблицы, к осциллографам Tektronix с полноценной поддержкой технологии DPO относятся серии: DPO/MSO2000, MDO3000, MDO4000, MSO5, DPO7000 и DPO/MSO70000. Большинство перечисленных серий могут захватывать и анализировать сотни тысяч осциллограмм в секунду.

 

Дополнительная информация по этой теме

Среди множества предлагаемых осциллографов, модели с аппаратной реализацией технологии цифрового люминофора DPO существенно выделяются своими возможностями глубокого анализа сигналов. В этой статье описаны детали реализации технологии DPO и показаны типовые примеры её применения.

Полный перечень современных цифровых осциллографов, как обычных DSO так и DPO, представлены здесь:

Все серии цифровых осциллографов и пробников

А здесь можно найти наши советы и другую полезную информацию по этой теме:

Как быстро выбрать осциллограф - критерии выбора, типовые применения и популярные модели

Сравнительная таблица основных характеристик цифровых осциллографов

Как купить оборудование дешевле - скидки, специальные цены, демо и б/у приборы

Для упрощения процесса выбора цифрового осциллографа, Вы можете воспользоваться нашим опытом и рекомендациями. У нас более 10 лет практического опыта поставок и мы сразу сможем ответить на многие вопросы по моделям, опциям, срокам поставки, ценам и скидкам. Это сбережёт Ваше время и деньги. Для этого просто позвоните нам или напишите нам по E-mail и мы с радостью ответим на Ваши вопросы.

 

Поделиться в соцсетях:

 

Также смотрите:

Перейти в раздел "Осциллографы и пробники" Осциллографы и пробники
Перейти в раздел "Генераторы сигналов функциональные" Генераторы сигналов функциональные
Перейти в раздел "Логические анализаторы" Логические анализаторы
Перейти в раздел "Лабораторные блоки питания" Лабораторные блоки питания
Перейти в раздел "Мультиметры лабораторные" Мультиметры лабораторные
Перейти в раздел "Калибраторы и эталоны" Калибраторы и эталоны
Перейти в раздел "Приборы для лаборатории и промышленности" Приборы для лаборатории и промышленности
Перейти в раздел "Технологии и решения" Технологии и решения
Перейти в раздел "Контрольно-измерительные приборы (все категории)" Контрольно-измерительные приборы (все категории)
СВЧ измерения, мобильная связь и радиомониторинг
Анализаторы спектра
Векторные анализаторы цепей
Генераторы высокочастотные
Полный перечень...
Волоконно-оптические
линии связи (ВОЛС)
Сварочные аппараты ВОЛС
Оптические рефлектометры
Модульные платформы
Полный перечень...
Анализаторы протоколов телекоммуникаций (T&D)
Модульные платформы
Анализаторы Ethernet / IP
Анализаторы OTN / ROADM
Полный перечень...
Приборы для лаборатории
и промышленности
Осциллографы и пробники
Лабораторные блоки питания
Лабораторные мультиметры
Генераторы функциональные
Калибраторы и эталоны
Электронные нагрузки
Измерители LCR (RLC)
Логические анализаторы
Частотомеры и стандарты
Тепловизоры
Полный перечень...
Производители оборудования (брэнды)
Tektronix
Keithley
Fluke
ITECH
Agilent
AMETEK
Все производители...
Технологии и решения
Как выбрать осциллограф
Все разделы...
Услуги
Сервисный центр
Техническая поддержка
Поиск и подбор оборудования
Сертифицированное обучение
Проведение измерений
Монтаж и сварка ВОЛС
Полезная информация
Анонсы и новинки
Выставки и мероприятия
Партнерская программа
Карта сайта
О компании
Контакты

Если Вы не нашли интересующее Вас оборудование, обращайтесь к нам и наши специалисты сами проведут поиск, подберут аналоги и проконсультируют по вариантам комплектации. При подборе будут учтены все Ваши требования к точности, надежности и стоимости.

Связывайтесь с нами по телефонам: +38 (044) 338-11-77, (097) 650-11-77, (095) 650-11-77, (093) 650-11-77 или по E-mail: info@tehencom.com
Copyright © 2004 - 2018 Торгово-производственная фирма ООО "Техэнком"www.tehencom.com