Oscyloskopy R&S RTO - zalety cyfrowego systemu wyzwalania

Rys. 1. Uproszczony schemat blokowy cyfrowego oscyloskopu z analogowym układem wyzwalania

Poniżej opisane zostały założenia konwencjonalnego systemu wyzwalania oraz zalety cyfrowego systemu wyzwalania czasu rzeczywistego oscyloskopów RTO. Wyzwalanie w oscyloskopie służy dwóm celom stabilizacji obrazu i umożliwieniu wyświetlania określonych punktów sygnału. Jest to przydatne do wyodrębniania określonych cech sygnału, na przykład poziomów logicznych, które nie zostały osiągnięte, zakłóceń sygnału, zboczy i innych. Liczba wykrywanych zdarzeń i możliwości konfiguracji wyzwalania wzrosły na przestrzeni lat. Dokładność systemu wyzwalania oraz jego możliwości określają, jak dobrze badany sygnał może zostać przeanalizowany i wyświetlony.

Większość współczesnych oscyloskopów jest cyfrowa, jednak układ wyzwalania nadal jest układem analogowym przetwarzającym mierzony sygnał. Na rysunku 1 przedstawiono uproszczony schemat blokowy cyfrowego oscyloskopu.

Wejściowy wzmacniacz służy do dostosowania amplitudy badanego sygnału do zakresu pracy przetwornika analogowo-cyfrowego. Sygnał uzyskany ze wzmacniacza jest przesyłany równolegle do przetwornika A/C i systemu wyzwalania. System wyzwalania porównuje sygnał z odpowiednim warunkiem wyzwolenia - na przykład przekroczeniem wartości podczas wyzwalania zboczem. Przekroczenie poziomu wyzwalania przez sygnał pomiarowy jest zdarzeniem, które powoduje wyzwolenie podstawy czasu.

Aby zapewnić dokładne wyświetlanie sygnału, konieczne jest precyzyjne określenie czasu wyzwolenia. Jeśli pomiar czasu tego punktu nie jest dokładny, zobrazowanie staje się rozmyte na skutek nakładania się przesuniętych na siebie obrazów z kolejnych okresów (trigger jitter).

Do tego dochodzi błąd systematyczny spowodowany różnymi ścieżkami badanego sygnału. Sygnał pomiarowy jest przetwarzany na dwóch różnych ścieżkach - na ścieżce akwizycji z przetwornikiem A/C i ścieżce z układem wyzwalania. Obie ścieżki charakteryzują się różnymi właściwościami propagacyjnymi, które wprowadzają systematyczne przesunięcie między wyświetlanym sygnałem a sygnałem powodującym wyzwolenie (szumy, nieliniowości). W najgorszym wypadku układ wyzwalający może w ogóle nie zareagować na zdarzenie wyzwalające widoczne na ekranie lub też przeciwnie - reagować na zdarzenia, których ścieżka akwizycji nie rejestruje i nie wyświetla.

Cyfrowy system wyzwalania

Rys. 2. Schemat blokowy oscyloskopu z cyfrowym wyzwalaniem

Rysunek 2 przedstawia uproszczony schemat blokowy cyfrowego oscyloskopu z cyfrowym wyzwalaniem. W odróżnieniu od wyzwalania analogowego, wersja cyfrowa korzysta bezpośrednio z próbek na wyjściu przetwornika A/C. Dzięki temu cyfrowy układ wyzwalania przetwarza dokładnie ten sam sygnał, który jest rejestrowany i wyświetlany.

W celu znalezienia punktu wyzwalania wykorzystywane są techniki DSP. Algorytmy z dużą precyzją wykrywają wystąpienie zdarzenia wyzwalającego i mierzą jego czas. Trudności w cyfrowym wyzwalaniu sprawia konieczność monitorowania sygnału pomiarowego w czasie rzeczywistym, przy wysokiej szybkości próbkowania. Dodatkowo dla zapewnienia dobrej wykrywalności detali w sygnale wejściowym konieczne jest wdrożenie nadpróbkowania, po to aby zmniejszyć martwy obszar wyzwalania.

Na rysunku 3 pokazano, w jaki sposób podwojenie częstotliwości próbkowania pozwala zmniejszyć martwy obszar wyzwalania. W sytuacji po lewej przetwornik nie jest w stanie wykryć wartości szybkozmiennego sygnału. Po prawej, dzięki podwojeniu częstotliwości próbkowania metodą interpolacji, możliwe jest wykrycie zdarzenia powodującego wyzwolenie.

Określanie czasu wyzwolenia w cyfrowym systemie wyzwalania

Rys. 3. Przykład zmniejszenia obszaru martwego dzięki zwiększeniu częstotliwości próbkowania

Podstawowym założeniem koniecznym do wiernego odtworzenia sygnału w dowolnej chwili czasowej jest spełnienie twierdzenia Nyquista o próbkowaniu. Oscyloskopy RTO korzystają z filtrów polifazowych, które pozwalają określić wartość sygnału w dowolnym punkcie przy stosunku sygnału do szumu większym od 90 dB. Punkt przecięcia sygnału pomiarowego i progu wyzwalania jest obliczany w czasie rzeczywistym metodą iteracyjną z dokładnością 250 fs.

Niektóre zdarzenia wyzwalające, takie jak impuls szpilkowy lub szerokość impulsu, zależą od parametrów czasowych. Urządzenia RTO pozwalają na bardzo precyzyjne określenie czasu takich zdarzeń, ponieważ precyzyjnie mierzą czas przekroczenia poziomu wyzwalania w czasie rzeczywistym. Parametry czasowe wyzwalania można ustawić z dokładnością do 1 pikosekundy, minimalna szerokość wykrywalnego impulsu podana w specyfikacji to 100 ps.

Optymalizacja czułości wyzwalania

Istnieją dwa sprzeczne wymagania na czułość układu wyzwalania. Aby uzyskać stabilne wyzwalanie przy zaszumionych sygnałach, poziom wyzwalania musi znajdować się wewnątrz pętli histerezy. Z kolei duża histereza zmniejsza czułość systemu na sygnały o małej amplitudzie.

W typowych oscyloskopach czułość układu wyzwalania jest ograniczona do jednej poziomej działki. Zwiększony zakres histerezy można uzyskać, ustawiając tryb "noise reject" w celu stabilnego wyzwalania przy zaszumionych sygnałach.

Cyfrowy system wyzwalania urządzeń R&S RTO pozwala na osobne ustawienie histerezy od 0 do 5 działek, aby dostosować czułość wyzwalania do charakterystyki sygnału. Dostępne są tryby "auto", dopasowujące zakres histerezy do skali toru Y, "manual", pozwalające uzyskać stabilizację przy zaszumionych sygnałach. Histerezę poziomu wyzwalania można też wyłączyć całkowicie dla sygnałów o stromych zboczach.

Brak maskowania zdarzenia wyzwalającego

Rys. 4. Możliwość konfiguracji filtrów dla sygnału akwizycji i sygnału wyzwalającego

W systemach analogowych w momencie wyzwolenia układ musi odczekać pewien czas, aż możliwe będzie wyzwolenie po raz kolejny. W tym czasie urządzenie nie może zareagować na kolejne zdarzenia wyzwalające - zdarzenia występujące w czasie tego okresu są maskowane. W odróżnieniu od nich, cyfrowe oscyloskopy RTO potrafią rozróżnić poszczególne zdarzenia w odstępach ok. 400 ps. Jest to istotne w zastosowaniach, w których warunki wyzwolenia są skomplikowane, na przykład odliczanie przed zdarzeniem lub sekwencje zdarzeń A-B, w których zdarzenie B musi wystąpić kilkakrotnie.

Rozbudowane filtrowanie sygnałów wyzwalających

Oscyloskopy R&S RTO zawierają układ pozwalający na swobodne programowanie częstotliwości odcięcia filtru cyfrowego w czasie pracy urządzenia. Te same ustawienia filtru można zastosować do każdego sygnału lub obu naraz - wyzwalającego i pomiarowego (rys. 4). Filtr dolnoprzepustowy dla sygnału wyzwalającego usuwa szum, ułatwiając konfigurację wyzwalania, a jednocześnie pozwala rejestrować i wyświetlać oryginalny sygnał pomiarowy bez filtracji.

Wyrównywanie przebiegów w układzie wyzwalania

Rys. 5. Cyfrowy system wyzwalania urządzeń R&S RTO pozwala na korekcję opóźnienia, by uzyskać poprawne wyzwalanie dla kombinacji kanałów

Przesunięcie czasowe między sygnałami wejściowymi oscyloskopu jest istotne w czasie pomiarów i warunków wyzwalania dla dwóch lub więcej sygnałów. Różne długości kabli, sondy lub ich umiejscowienie mogą powodować przesunięcie sygnałów w czasie. Typowe oscyloskopy cyfrowe oferują możliwość cyfrowego usunięcia tego efektu poprzez kompensację różnego opóźnienia na wejściach.

Wyrównywanie różnic czasowych jest dokonywane na ścieżce akwizycji za przetwornikiem analogowo-cyfrowym i z tego powodu nie jest widoczne dla analogowego układu wyzwalania. Z tego powodu sygnał wyświetlany na ekranie różni się od tego, który obserwuje system wyzwalania.

W oscyloskopach R&S RTO zarówno system akwizycji, jak i wyzwalania używają jednakowych spróbkowanych i przetworzonych danych (rys. 5). Z tego powodu przebiegi widoczne na ekranie i sygnał docierający do układu wyzwalania są takie same, nawet po zastosowaniu wyrównania. Ponieważ R&S RTO używają filtrów cyfrowych, możliwe jest przesunięcie sygnału z krokiem 1 ps.

Przykłady sposobów wyzwalania z wykorzystaniem więcej niż jednego kanału obejmują wyzwalanie zdarzeniem na tylko jednym kanale (np. wystąpienie zbocza) oraz pewne kombinacje poziomów (np. stan wysoki lub niski) na innych kanałach.

Przeglądanie historii zdarzeń

W wielu sytuacjach przyczyny błędu nie można odnaleźć, przeglądając jedynie historię akwizycji. Oscyloskopy R&S RTO zawsze umożliwiają dostęp do wcześniej zapisanych przebiegów. Każdy przebieg zawiera informację o czasie, która pozwala określić jednoznacznie moment wystąpienia zdarzenia wyzwalającego.

W zależności od opcji pamięci dostępne są wyczerpujące informacje pomagające wykrywać błędy. Punkty czasowe można wyświetlić jako czas absolutny określony przez zegar systemowy lub jako opóźnienie w stosunku do poprzedniego zdarzenia. Rozdzielczość czasowa tej funkcji w drugim z trybów wynosi jedną pikosekundę.

Rohde & Schwarz
www.rohde-schwarz.pl