Осцилографи з технологією цифрового люмінофора (DPO): принцип роботи технології, переваги над звичайними цифровими осцилографами

Короткий вступ

Технологія цифрового люмінофора, яку називають технологією цифрового фосфору, зустрічається в осцилографах середнього та професійного рівня. В англомовній літературі її називають DPO (Digital Phosphor Oscilloscope). Моделі осцилографів, побудовані на базі технології DPO, істотно перевершують за можливостями класичні цифрові осцилографи, що запам'ятовують, надаючи розробникам нові, ефективні інструменти. У цій статті докладно розказано про те, як працює ця технологія та які переваги вона забезпечує.

Історія виникнення технології цифрового люмінофора DPO

У 90-ті роки в лабораторіях США часто на одному столі можна було побачити нову модель цифрового осцилографа та старенький аналоговий осцилограф, який використовувався разом із цифровим. Чому ж цифровий осцилограф не міг повністю замінити аналоговий? Справа в тому, що екран аналогового осцилографа покритий люмінофором, що містить фосфор. Після проходження електронного променя таким екраном, слід від нього не гасне миттєво, а плавно загасає за частки секунди. Тобто екран аналогового осцилографа має легке післясвітлення.

Цей ефект післясвітлення дозволяв візуально спостерігати події, що рідко виникають, і різні аномалії на тлі стаціонарного періодичного сигналу. Також на екрані аналогового осцилографа добре було видно структуру нестаціонарних процесів, що повторюються, таких як телевізійні сигнали. А цифрові осцилографи не справлялися із такими завданнями. Осцилограма телесигналу показана нижче.

З іншого боку цифрові осцилографи, що запам'ятовують, могли записувати в пам'ять вибірки сигналів, виконувати їх постобробку і робити над ними складні обчислення. Цифрові осцилографи добре підходили для аналізу періодичних сигналів, запису та перегляду цифрових послідовностей, запису одноразових подій та автоматичного обчислення параметрів сигналу, таких як: час наростання, амплітуда, частота, шпаруватість та ін.

Але з появою технології DPO ситуація різко змінилася. Осцилографи, побудовані на основі цієї технології, не тільки змогли повністю замінити аналогові та звичайні цифрові осцилографи, але також доповнили арсенал розробника новими потужними інструментами. Щоб краще зрозуміти технологію DPO спочатку розглянемо пристрій класичного цифрового осцилографа, що запам'ятовує.

Структура класичного цифрового осцилографа, що запам'ятовує (DSO)

Звичайний цифровий осцилограф, що запам'ятовує, в англомовній літературі називається DSO (Digital Storage Oscilloscope). Осцилографи DSO добре підходять для роботи з періодичними сигналами, що не змінюються (синусами, меандрами і т.д.). Також ці осцилографи можна використовувати для захоплення та перегляду одноразових подій, наприклад, довгих цифрових послідовностей або перехідних процесів. Оскільки інформація про сигнал оцифровується і зберігається в пам'яті DSO у вигляді масиву значень, сигнал можна легко аналізувати, роздруковувати, або обробляти іншим способом, як в осцилографі, так і на зовнішньому комп'ютері. Однак такі прилади не відображають в реальному часі градації яскравості розгортки сигналу, тому осцилографи DSO нездатні наочно представляти "живі" сигнали, що змінюються.

Причини недоліків осцилографів DSO криються в їхній архітектурі. На малюнку нижче показано будову типового цифрового осцилографа, що запам'ятовує. Після спрацьовування системи запуску осцилографа вхідний сигнал починає оцифровуватися за допомогою АЦП і результати оцифрування поміщаються в пам'ять вибірок. Через короткий проміжок часу, який залежить від можливостей та налаштувань осцилографа (розмір пам'яті, швидкість оцифрування, встановлення розгортки та ін.), процес оцифрування сигналу зупиняється та починається обробка масиву оцифрованих значень за допомогою мікропроцесора. Через деякий час, який залежить від швидкості мікропроцесора та об'єму даних, зображення сигналу виводиться на дисплей. Після цього знову вмикається система запуску і весь цикл повторюється.

Головний недолік такої структури - це зупинка оцифрування вхідного сигналу на час обробки вже збережених у пам'яті значень. Типовий DSO осцилограф понад 99% часу повністю ігнорує вхідний сигнал і займається лише обробкою та відображенням останнього оцифрованого фрагмента. Насправді це призводить до неможливості виявлення багатьох типів аномалій, або необхідності довго чекати, поки аномалія рано чи пізно потрапить у короткий інтервал активної оцифровки вхідного сигналу.

На цьому скріншоті показаний фрагмент сигналу, тривалістю 1 мкс, захоплений звичайним DSO осцилографом серії Tektronix TDS2000. У цьому фрагменті виявлено глітч сигналу цифрової послідовності і правіше від нього рант сигналу. Зверніть увагу на тривалий час пошуку цієї аномалії (обведено червоним овалом) – 1 година (1 hour). Є ще один момент: щоб налаштувати запуск осцилографа на виявленні такої аномалії, необхідно хоча б приблизно знати її амплітуду та тривалість. Інакше запуск може просто не спрацювати.

Головна перевага такої структури – це можливість використання слабких мікропроцесорів та допоміжних цифрових мікросхем, що призводить до невисокої вартості приладу. Тому основна маса цифрових осцилографів, що запам'ятовують, в нижньому ціновому сегменті влаштовані саме таким чином. А тепер розглянемо, яку структуру мають осцилографи з технологією DPO.

Структура осцилографа із технологією цифрового люмінофора (DPO)

У той час, як в осцилографах DSO для захоплення, відображення та аналізу сигналів застосовується технологія послідовної обробки, DPO (Digital Phosphor Oscilloscope) для виконання тих же завдань використовується паралельна обробка. Осцилограф DPO побудований на основі спеціалізованої ПЛІС (Програмованої Логічної Інтегральної мікроСхеми), яка в реальному часі виконує обробку оцифрованих значень вхідного сигналу. Цей підхід значно підвищує ймовірність виявлення швидкоплинних явищ, що відбуваються в цифрових та аналогових системах, таких як пошкоджені імпульси, глітчі та різні перехідні процеси, а також надає додаткові можливості аналізу. Будова осцилографа з технологією цифрового люмінофора DPO показана на цьому малюнку.

У той час, як аналогові осцилографи, використовують фізичні властивості люмінофора (його інерційність або післясвічення), в осцилографах DPO застосовується технологія електронного цифрового люмінофора (цифрового фосфору - Digital Phosphor), що насправді є базою цифрових даних, що безперервно оновлюється. Ця база даних має окремий осередок пам'яті для кожного пікселя дисплею приладу. У цих осередках пам'яті міститься інформація про поточну інтенсивність сигналу в усіх точках екрана. Після кожного запуску захоплення результати поточної вибірки сигналу оновлюють осередки бази даних цифрового люмінофора. Таким чином, інформація про інтенсивність більше накопичується в тих осередках, через які сигнал проходить найчастіше. Як говорилося вище, вся ця складна обчислювальна робота виконується окремою мікросхемою у реальному часі, мінімізуючи будь-які затримки.

Для наочної демонстрації того, як це працює, припустимо, що екран осцилографа має 11 точок по горизонталі та 10 точок по вертикалі. У такому разі таблиця даних цифрового люмінофора також має розміри 11х10 осередків. Графічно вона представлена малюнку нижче. Тепер уявімо, що осцилограф виконав 9 запусків оцифрування тестового сигналу. Сигнал щоразу мав трохи відмінну форму. Інформація про кількість проходжень сигналу через кожну точку екрана зберігалася у таблиці значень. Через деякі точки сигнал пройшов усі 9 разів, а через решту від 0 до 8 разів. Результуюча таблиця даних цифрового люмінофора з цього прикладу показано малюнку. Вона дозволяє чітко відрізнити області, якими сигнал проходив часто, від областей, де він з'являвся епізодично.

У реальному осцилографі, побудованому за технологією DPO, таблиця, що зберігає кількість проходжень сигналу через кожну точку, містить сотні тисяч значень, а спеціалізована мікросхема DPO оновлює цю інформацію зі швидкістю десятки і навіть сотні тисяч разів на секунду. Як видно з порівняльної таблиці технічних характеристик осцилографів, осцилографи серії Tektronix DPO2000 забезпечують швидкість оновлення до 5 000 разів на секунду, а осцилографи старшої серії Tektronix DPO70000 оновлюють таблицю до 300 000 разів на секунду. За допомогою DPO легко побачити різницю між сигналом, захопленим при кожному запуску, і сигналом, захопленим, наприклад, при кожному 1000 запуску.

Під час візуалізації цієї накопиченої в пам'яті осцилографа інформації області екрана, в яких сигнал з'являється частіше, відображаються більш інтенсивними кольорами (відтінками червоного і жовтого), а області екрана, в яких сигнал з'являється рідко, забарвлюються в темніші кольори (сині відтінки). Колірну гаму можна налаштовувати. Також можна в широких межах налаштовувати тривалість ефекту післясвітлення, ще більше збільшуючи можливості візуалізації та аналізу.

На цьому скріншоті осцилографа з технологією DPO показано цифровий тактовий сигнал. Саме за рахунок ефекту цифрового люмінофора, який наочно узагальнює тисячі оброблених захоплень, можна спостерігати, в яких межах змінюється напруга в нижній та верхній частинах тактової послідовності. А за інтенсивністю забарвлення сигналу можна судити про стани, в яких він знаходиться найчастіше. Зверніть увагу на синій сплеск у центральній частині екрана, який виділений овалом - це невловимий глітч тактового сигналу, який легко може призводити до збою роботи цифрових схем і який дуже важко зловити засобами запуску звичайного цифрового осцилографа DSO, так як амплітуда глітча знаходиться в межах основного сигналу . Але завдяки технології DPO такі аномалії можна легко виявити.

За допомогою осцилографів DPO однаково зручно досліджувати у реальному часі високі та низькі частоти, періодичні сигнали, перехідні процеси та комплексні сигнали. Тільки DPO мають можливість подання сигналу в реальному часі по осі Z (градації кольору при відображенні на дисплеї), що відсутня у звичайних цифрових осцилографів DSO, що запам'ятовують.

Технологія DPO – це ідеальний інструмент для тих, хто займається розробкою та випробуванням цифрових та аналогових пристроїв, а також будь-якого електронного обладнання. Осцилографи DPO відмінно підходять для глибокого аналізу електроніки, тестування телекомунікаційних сигналів по масці, налагодження схем з переміжними та періодичними сигналами, а також завдань, де потрібна синхронізація за часом.

Типові приклади використання технології цифрового люмінофора (DPO)

Існують десятки практичних завдань, які можуть ефективно вирішуватися при використанні осцилографа з технологією цифрового фосфору DPO. Щоб наочно продемонструвати переваги цієї технології, розглянемо кілька найпоширеніших прикладів.

На цьому скріншоті показаний екран осцилографа серії Tektronix MDO4000C. Точка запуску каналом 1 встановлена на 470 мВ. На екрані ми бачимо сигнал від 1 мкс до моменту запуску і до 1 мкс після моменту запуску. Одночасно на екрані представлені результати спрацьовування тисячі запусків. Тобто статистична картина зміни сигналу є дуже докладною. Як бачимо по градаціям кольоровості, невеликий відсоток часу сигнал має знижене значення амплітуди - вона плаває, періодично зменшуючись приблизно удвічі. На такий вимір осцилографу з DPO потрібно менше 1 секунди.

А ось ще один приклад роботи технології DPO в осцилограф серії Tektronix MDO4000C. В даному випадку вимірюваний меандр має стабільну амплітуду, але частоту, що плаває. Судячи з рівня розмиття фронту п'ятого від точки запуску періоду меандру, частота змінюється приблизно 10%. За допомогою маркерів осцилографа можна провести більш точні виміри. Також на осцилограмі видно невеликий перехідний процес, що виникає при різкій зміні амплітуди з одного стану до іншого.

Як уже згадувалося вище, технологія цифрового люмінофора DPO чудово справляється з пошуком аномалій сигналів, що рідко виникають: глітчів, рантів, збоїв синхронізації і т.п. На цьому скріншоті осцилографа серії Tektronix DPO7000C чітко видно два дефекти сигналу: короткий глітч на початку сигналу і через 150 нс після глитча другий дефект - рант сигналу (імпульс, що має менший рівень, ніж решта імпульсів послідовності). Судячи з блакитного кольору глитчу і ранту, вони виникають неодноразово, проте значно рідше, ніж основний сигнал.

Ще одне поширене застосування технологія DPO знаходить у перевірці відповідності стандартам форми сигналів швидкісних цифрових інтерфейсів: PCI Express, USB, Serial ATA, Ethernet IEEE 802.3, ANSI X3.263, Sonet/SDH, Fibre Channel, InfiniBand, Serial Attached /ANSI T1.102, IEEE 1394b, RapidIO, OIF Standards, Open Base Station Architecture Initiative (OBSAI), Common Public Radio Interface (CPRI) та ін.

На цьому скріншоті осцилографа серії Tektronix DPO70000 показано приклад тестування сигналу шини PCI Express. Як критерії відповідності використовується маска, параметри якої прописані у відповідному міжнародному стандарті. Висока достовірність перевірки досягається за рахунок аналізу сотень тисяч осцилограм на секунду, що гарантує виявлення навіть невловимих відхилень.

І, звичайно, ефект цифрового люмінофора DPO можна у будь-який момент відключити. Наприклад, при захопленні та декодуванні тривалих цифрових послідовностей він просто не потрібен. Для цього на передній панелі DPO осцилограф є спеціальна кнопка або окремий пункт меню. На цьому скріншоті показаний екран осцилографа серії Tektronix MDO3000 при вимкненому цифровому фосфорі. Ми бачимо "звичайний" меандр без градацій кольоровості. Під сигналом знаходиться таблиця з автоматично виміряними параметрами цього меандру: частотою, напругою від піку до піку і кількістю позитивних імпульсів.

Існує безліч інших реальних завдань, у яких технологія цифрового фосфору DPO істотно спрощує роботу розробника та робить її ефективнішою. Якщо порівнювати аналоговий осцилограф, звичайний цифровий DSO та осцилограф із підтримкою DPO, то DPO є найбільш універсальним рішенням, яке повністю забезпечує всі можливості аналогових та звичайних цифрових моделей, плюс містить додаткові потужні інструменти.

Як відрізнити осцилографи DPO від звичайних DSO

Всі виробники осцилографів знають про переваги технології DPO, але лише деякі з них включають цю технологію до своїх виробів. Оскільки основа DPO – це окрема, технічно складна та високопродуктивна мікросхема, осцилографи з DPO коштують дорожче та їх складніше розробляти та випускати. Крім того, окремі аспекти реалізації DPO захищені патентами, що ще більше ускладнює більшість компаній випуск таких осцилографів.

Але технічну перевагу DPO та розширені можливості, які надає ця технологія в руки інженерів, змушують багато компаній додавати у свої звичайні моделі DSO можливості, які імітують роботу DPO. Наприклад, за рахунок набору великої кількості захоплень та їх подальшої програмної обробки мікропроцесором, деякі осцилографи DSO можуть виводити зображення, що містить градації кольору сигналу. Але повноцінний осцилограф DPO отримає таку картинку за частки секунди, а DSO може знадобитися хвилини і навіть годинник для набору такої кількості вимірювань.

На цьому скріншоті показана емуляція ефекту цифрового фосфору звичайним DSO осцилографом серії Tektronix TDS2000C. Фрагмент сигналу, тривалістю 0,5 мкс, містить глітч та частину ранту. Як зазначено в лівій нижній частині екрана, було зібрано 60 502 вибірки. Сигнал на екрані має градації кольоровості, імітуючи роботу DPO, але накопичення цієї інформації знадобилося в сотні разів більше часу, ніж повноцінному DPO. І якщо аномалія не періодична, а одноразова, то з ймовірністю 99% осцилограф DSO просто не помітить. Також деталізація картинки значно нижча ніж у DPO.

Основний критерій, Який дозволяє відразу відрізнити DPO осцилограф від DSO - це швидкість безперервного захоплення та аналізу осцилограм, яку реально може забезпечити конкретна модель. Цей параметр вказується у технічному описі осцилографа. Якщо значення цього параметра менше 1000 осцилограм на секунду або воно взагалі не вказано, то перед Вами звичайний цифровий осцилограф DSO із послідовною обробкою сигналу. Якщо значення цього параметра становить десятки і сотні тисяч осцилограм на секунду, це повноцінний осцилограф з паралельною обробкою сигналу з допомогою апаратної мікросхеми DPO.

Якщо говорити про модельний ряд осцилографів американської компанії Tektronix, то як видно з порівняльної таблиці технічних характеристик осцилографів, до звичайних DSO відносяться молодші серії: TBS1000B і TBS2000B, а також дві серії з гальванічно ізольованими каналами: TPS2000 і 3000 тайських тайс. Вони можуть захоплювати та аналізувати до 100 осцилограм на секунду.

Як видно з тієї ж таблиці, до осцилографів компанії Tektronix з повноцінною підтримкою технології DPO відносяться серії: DPO/MSO2000, MDO3, MDO4000C, MSO4, MSO5, MSO6 і DPO/MSO70000. А до осцилографів компанії Pico Technology з повноцінною підтримкою технології DPO відносяться серії: PicoScope 3000D і PicoScope 6000E. Більшість перерахованих моделей можуть захоплювати та аналізувати сотні тисяч осцилограм на секунду.

Додаткова інформація на цю тему

Серед безлічі осцилографів, що пропонуються, моделі з апаратною реалізацією технології цифрового люмінофора DPO істотно виділяються своїми можливостями глибокого аналізу сигналів. У цій статті описано деталі реалізації технології DPO та показано типові приклади її застосування.

Повний перелік сучасних цифрових осцилографів як звичайних DSO так і DPO представлений тут:

Усі серії цифрових осцилографів та пробників

А тут можна знайти наші поради та іншу корисну інформацію на цю тему:

Як швидко вибрати осцилограф - критерії вибору, типові застосування та популярні моделі

Порівняльна таблиця основних характеристик цифрових осцилографів

Як купити обладнання дешевше - знижки, спеціальні ціни, демо та б/в прилади

Для спрощення процесу вибору цифрового осцилографа Ви можете скористатися нашим досвідом та рекомендаціями. У нас більше 20 років практичного досвіду поставок і ми відразу зможемо відповісти на багато питань щодо моделей, опцій, термінів поставки, цін та знижок. Це збереже Ваш час та гроші. Для цього просто зателефонуйте нам або напишіть нам по Електронна пошта і ми з радістю відповімо на Ваші запитання.