Oscyloskopy RTE Rohde&Schwarz zapełnia środkową półkę

Rohde&Schwarz powoli lecz konsekwentnie, małymi kroczkami, buduje swoją markę jako liczący się producent oscyloskopów cyfrowych. Przypomnijmy, że mimo 80-letniej tradycji w branży pomiarowej, oscyloskopy cyfrowe znalazły się w ofercie R&S zaledwie kilka lat temu. O rosnącym zainteresowaniu oscyloskopami firmy Rohde&Schwarz może świadczyć fakt, że na targach Automaticon 2014, na stoisku jednej z wiodących firm specjalizujących się w produkcji urządzeń dla automatyki przemysłowej, do demonstracji wyrobu zastosowano właśnie oscyloskop R&S. Istotnie, oscyloskopy te mają swój dość specyficzny styl, do którego trzeba się trochę przyzwyczaić, ale im dłużej się na nich pracuje, tym coraz bardziej mogą się podobać.

RTO, RTM, a teraz też RTE

Tab. 1. Porównanie rodzin oscyloskopów R&S (uwzględniono modele 4-kanałowe)

Rohde&Schwarz rozpoczął ekspansję rynku od mocnego uderzenia, od razu wypuszczając na rynek oscyloskopy o najwyższym stopniu zaawansowania. Należą do nich przyrządy opatrzone symbolem RTO. Niemal równolegle strategiczne pozycje zdobywały oscyloskopy RTM o najprostszej dla R&S budowie. Trzeba jednak zauważyć, że wyrobami o podobnych parametrach technicznych zapewne chciałby się chwalić niejeden producent oscyloskopów. Między oscyloskopami RTM i RTO pojawiła się luka, którą postanowiono zapełnić nową rodziną RTE. Porównanie parametrów wszystkich wyrobów zestawiono w tab. 1. W artykule opisano model RTE 1034, poddany redakcyjnym testom.

Uzupełnieniem rodzin RTO, RTE i RTM są oscyloskopy "dla każdego", które po przejęciu firmy Hameg sprzedawane są pod szyldem Hameg Rohde&Schwarz. Przyrządy te mimo względnie niskich cen charakteryzują się bardzo dobrymi parametrami.

Ruszyła maszyna...

Rys. 1. Obserwacja zakłócenia typu glitch - a) lokalizacja dzięki dużej szybkości akwizycji, b) wyzwolenie na zakłóceniu

...chciałoby się powiedzieć powoli, ospale. Rzeczywiście, oscyloskop RTE1034 jest obsługiwany przez aplikację systemu Windows Embedded Standard 7, więc do jej uruchomienia konieczny jest pełny start systemu. Operacja ta dla oscyloskopu ze standardowym dyskiem twardym trwa prawie 3 minuty. Trochę krócej, bo około 19 sekund, trzeba czekać na zamknięcie systemu i automatyczne wyłączenie przyrządu.

Po wyposażeniu oscyloskopu w dysk SSD czas inicjalizacji systemu skraca się o połowę(opcja Replacement SSD Hard Disk, incl. firmware R&S RTE-B18). Pomijając niedogodność wynikającą z dosyć długiego czasu startu trzeba uznać, że oscyloskop z Windows ma szereg zalet. Jedną z nich jest możliwość korzystania z zainstalowanego dysku twardego, inne to łatwa komunikacja ze światem, np. poprzez Internet dostępny bezpośrednio z oscyloskopu, korzystanie z zewnętrznej klawiatury i myszki, przydatnych zwłaszcza przy wprowadzaniu parametrów liczbowych i definiowaniu różnych obszarów na ekranie. Zamiast nich można korzystać z... własnego palca, jako że oscyloskopy RTE są wyposażone w ekran dotykowy. Niestety nie ma on cechy multi-touch, szkoda, szkoda, bo przydałaby się w obsłudze kilku funkcji.

R&S wytacza armaty

Rys. 2. Szum przy zwartym wejściu

Każdy producent wprowadzając na rynek nowy wyrób wynajduje jego największe zalety i umieszcza na czołowych miejscach ulotek reklamowych i prezentacji. Do takich zalet oscyloskopu RTE1034 należy bardzo duża szybkość akwizycji przebiegów. Jest to cecha wręcz niezbędna do wyszukiwania przypadkowych zakłóceń. RTE1034 może przechwytywać do miliona ramek w ciągu sekundy, co znacznie zwiększa prawdopodobieństwo zarejestrowania takiego zakłócenia.

Na rys. 1 przedstawiono oscylogram sygnału sinusoidalnego, na którym wyraźnie pojawia się nieokresowe zakłócenie w postaci bardzo wąskiej szpilki. Obserwacja ta powinna być powodem podjęcia analizy pracy urządzenia w celu zlokalizowania źródła zakłócenia. W tym przypadku okazało się, że zakłócenie jest generowane przez asynchroniczny do sinusoidy impuls pojawiający się na sąsiedniej ścieżce sygnałowej.

Kolejną zaletą oscyloskopu RTE1034 jest duża pamięć akwizycji. W standardowej wersji mieści ona 10 Mpróbek w każdym kanale, ale po wykupieniu odpowiedniej opcji można ją powiększyć nawet do 50 Mpróbek. A przecież do dziś oferowane są przez różnych producentów oscyloskopy z rekordem zaledwie kilkukilobajtowym, i to często współdzielonym na dostępne kanały.

Oscyloskop, jakby nie było jest przyrządem pomiarowym. Służy nie tylko do obserwacji przebiegów, ale też do mierzenia ich parametrów. Istotne są zatem dwa parametry: dokładność i rozdzielczość. W rodzinie RTE zastosowano 8-bitowy jednordzeniowy przetwornik analogowo-cyfrowy. Wiadomo, jednak, że rzeczywista rozdzielczość (ENOB) jest zwykle mniejsza od teoretycznej. Producent deklaruje większą od 7 wartość tego parametru. Warto przy okazji przyjrzeć się szumom. Na rys. 2 przedstawiono oscylogram zdjęty przy zwarciu sondy pomiarowej do masy i ustawieniu maksymalnej czułości kanału.

Szukajcie, a znajdziecie

Rys. 3. Okno konfiguracji układu wejściowego

Wyszukiwanie artefaktów w sygnale elektrycznym to trudne zadanie dla elektroników, ale też spore pole do popisu dla konstruktorów oscyloskopów cyfrowych. O sukcesie, bądź niepowodzeniu takiego poszukiwania może decydować w zasadzie każdy parametr oscyloskopu, i wcale nie jest powiedziane, że im wyższym wskaźnikiem liczbowym można go opisać, tym lepszych wyników należy się spodziewać.

Przykładowo, w niektórych sytuacjach oscyloskopy z mniejszym rekordem będą radziły sobie lepiej niż te, w których rekord jest duży. Producenci stale udoskonalają swoje wyroby rozwijając ich hardware i software. Powstają nowe metody i algorytmy pomiarowe, które potrafią do maksimum wykorzystywać zalety danego przyrządu.

O korzyściach wynikających z dużej szybkości przechwytywania ramek już pisaliśmy. Parametr ten jest uzyskiwany w oscyloskopach RTE m.in. dzięki specjalizowanemu układowi ASIC produkowanemu w technologii o bardzo dużej skali integracji (ok. 14 milionów bramek).

Rys. 4. Konfiguracja filtrów cyfrowych układu wejściowego i bloku akwizycji

Pozwala on wykonywać równolegle wiele operacji i obliczeń w fazie akwizycji danych. Uzyskuje się ponadto znaczące skrócenie czasu martwego, prawdziwej zmory oscyloskopów cyfrowych. Jest to czas, w którym dane zapisane w rekordzie są analizowane i wyświetlane na ekranie. Jeśli w tym momencie wystąpi artefakt, to niestety nie będzie zauważony.

W oscyloskopach RTE (i RTO) zastosowano innowacyjne rozwiązanie bloku wyzwalania cyfrowego, co ma również istotne znaczenie w poszukiwaniu przypadkowych zakłóceń. Wartość jittera jest określana dla niego na poziomie mniejszym niż 1 ps. Nie mniej ważna jest też bardzo duża czułość układu wyzwalania, pozwalająca stabilnie oglądać przebiegi o najmniejszych amplitudach.

Nieocenione usługi oddaje tu cyfrowy filtr włączany w każdym kanale pomiarowym (rys. 3) niezależnie dla bloku akwizycji i bloku wyzwalania (rys. 4). Jego skuteczność przedstawiono na rys. 5. Oscylogramy przedstawiają ten sam przebieg bez włączonego filtrowania (rys. 5a) i z filtrem włączonym (rys. 5b).

Rys. 5. Efekt działania filtru cyfrowego w układzie wejściowym oscyloskopu a) przebieg nie filtrowany, b) przebieg z włączonym filtrem

Wróćmy jednak do poszukiwań artefaktów. Wiemy już, że o powodzeniu takich poszukiwań decyduje kilka czynników i parametrów oscyloskopu. Ponieważ zdolność do wykrywania nietypowych, nieokresowych zdarzeń jest bardzo ceniona przez użytkowników, producenci prześcigają się w implementowaniu funkcji i przystosowywaniu parametrów oscyloskopów do wykonywania tego typu zadań. W klasie oscyloskopu RTE1034 narzędzia takie są wręcz obowiązkowe.

Jednym z nich jest układ wyzwalania, mogący pracować w wielu zaawansowanych trybach. Nie sposób w krótkim artykule dokładnie omówić każdy z nich, ograniczymy się więc do kilku przykładów.

Rys. 6. Obserwacja zakłócenia z zastosowaniem wyzwalania typu Window a) powiększone zakłócenie, b) wstępna obserwacja zakłócenia

Oscyloskop RTE1034 ma następujące tryby wyzwalania:

• Edge - zboczem,
• Glitch - zakłóceniem impulsowym,
• Width - impulsem o określonej szerokości,
• Runt - impulsem o małej amplitudzie pojawiającym się pomiędzy większymi impulsami,
• Window - specyficznym zachowaniem się przebiegu w wirtualnym oknie wyznaczonym przez poziomy napięć i przedział czasu,
• Timeout - utrzymaniem się sygnału na określonym poziomie (po jego zmianie) przez określony czas,
• Interval - przekroczeniem czasu miedzy dwoma impulsami
• Slew Rate - określoną szybkością narastania/opadania sygnału
• Data2Clock - zdefiniowaną relacją między sygnałem synchronizowanym przebiegiem zegarowym i sygnałem zegarowym (inaczej setup/hold),
• Serial pattern - określoną sekwencją na linii interfejsu szeregowego,
• TV - sygnałem wideo (telewizyjnym).

Rys. 7. Okno konfiguracji wyzwalania typu Window

Jak widać opcji jest sporo. Oprócz typowych, takich jak wyzwalanie zboczem, szerokością impulsu, nachyleniem zbocza, mamy szereg trybów przeznaczonych właśnie do poszukiwania wszelkiego rodzaju zakłóceń. Opcję Glitch poznaliśmy wcześniej. Można ją stosować, gdy chcemy wykryć krótkie zakłócenie impulsowe, np. takie jak na rys. 1.

W tym trybie nie wyzwolimy jednak prawidłowo oscyloskopu, jeśli w badanym przebiegu będzie występowało tylko chwilowe przytrzymanie poziomu napięcia, jak na rys. 6a. O tym, że sytuacja taka ma miejsce, przekonujemy się jak zwykle dzięki dużej szybkości rysowania przebiegów na ekranie przy typowym wyzwalaniu zboczem (rys. 6b).

Wyzwolenie oscyloskopu na podobnym zakłóceniu (zniekształceniu) będzie skuteczne na przykład po wybraniu trybu Window (rys. 7). Do wykrywania całej klasy podobnych zakłóceń służy jeszcze tryb wyzwalania - Runt. Generalnie, można powiedzieć, że w każdym z trybów Glitch, Window, Runt mamy do czynienia z różnymi przypadkami zachowywania się sygnału w zdefiniowanym oknie czasowym lub w określonym przedziale napięć. Różnice są dość subtelne, a skuteczne korzystanie z powyższych opcji wymaga pewnego doświadczenia.

Rys. 8. Wyzwalanie Timeout a) lokalizacja zdarzenia odniesienia, b) wyzwolenie po włączeniu opóźnienia

Kolejna grupa trybów wyzwalania jest przydatna do badania relacji czasowych. Timeout będzie niezastąpiony do badania zdarzeń następujących z pewnym opóźnieniem względem jakiegoś innego, charakterystycznego zdarzenia. Na rys. 8a obserwujemy na przykład oscylacje pojawiające się czasami po impulsie obserwowanym w innym kanale pomiarowym, ale zawsze z opóźnieniem ok. 80 µs.

Jeśli interesują nas szczegóły w okolicach tych oscylacji, a zupełnie bez znaczenia jest to, co dzieje się wcześniej, najlepszym trybem wyzwalania będzie właśnie Timeout. Widzimy, że po jego wybraniu i określeniu odpowiedniego opóźnienia (rys. 9) punkt wyzwolenia przesunął się bliżej obserwowanych oscylacji (rys. 8b). Innym trybem wyzwalania, służącym do analizowania podobnych sytuacji jest Interval.

Rys. 9. Okno konfiguracji wyzwalania typu Timeout

Tryb wyzwalania Slew Rate służy z kolei do wyzwalania oscyloskopu sygnałem o określonej szybkości narastania lub opadania. Parametr ten definiuje się wprowadzeniem przedziału czasu, w którym napięcie zmienia się od dolnej do górnej wartości progowej (lub odwrotnie). Ekran konfiguracyjny dla tego trybu przedstawiono na rys. 10, a na rys. 11 obserwujemy efekt wyzwalania dla trzech różnych przypadków.

We wszystkich trybach wyzwalania mamy dodatkowo kilka innych, ważnych parametrów ułatwiających odpowiednie ustawienie warunku wyzwolenia. Jednym z nich jest Holdoff decydujący o czasie wstrzymania kolejnego cyklu akwizycji. Taka konfiguracja układu akwizycji jest wykorzystywana na przykład podczas obserwacji paczek impulsów, jeśli chcemy aby wyzwolenie następowało zawsze na pierwszym impulsie.

W oscyloskopach RTE parametr Holdoff może być ustawiany w odniesieniu do czasu, zdarzeń, może być zmieniany losowo w zadanym przedziale (rys. 12) lub dobierany automatycznie. Jeśli badany sygnał jest zaszumiony, może dochodzić do wielokrotnego wyzwalania w bezpośrednim sąsiedztwie punktu o ustalonym poziomie progowym napięcia. Aby temu zapobiec zwykle wystarczy włączyć histerezę wyzwalania z dobranymi doświadczalnie poziomami progowymi.

Rys. 10. Okno konfiguracji wyzwalania typu Slew Rate

Oprócz wymienionych trybów wyzwalania, które można zakwalifikować jako standardowe, oscyloskop RTE1034 ma jeszcze zaawansowany tryb sekwencyjny. Wyzwalanie następuje tu po spełnieniu dwóch zdarzeń. Zdarzenia są ustawiane niezależnie, ale drugim z nich może być tylko detekcja zbocza.

Przez swoją złożoność tryb ten wydaje się mało czytelny, ale daje wspaniałe rezultaty w określonych przypadkach. Działanie wyzwalania w trybie sekwencyjnym zilustrujemy przykładem. Mamy dwa przebiegi utworzone z paczek impulsów, z których interesuje nas konkretny impuls zaznaczony na rys. 13. Jest to trzeci impuls w paczce.

Pytanie, jak wyzwolić oscyloskop akurat w tym momencie? Załóżmy, że mamy pewność co do czasu t1, który jest równy 4,72 µs. Pierwszym zdarzeniem wyzwalającym będzie więc impuls o takim czasie trwania, a odpowiedni warunek ustawiamy tak, jak to przedstawiono na rys. 14a. Jak widać, przyjęliśmy tu 90-nanosekundową tolerancję szerokości impulsu.

Teraz, dla pominięcia pierwszej paczki impulsów ustawiamy opóźnienie 4,3 µs odpowiadające czasowi t2 i ustawiamy licznik zdarzeń B Count na 3, gdyż interesuje nas 3 impuls. Po kliknięciu na przycisk B Event Setup ustawiamy jeszcze drugie zdarzenie wyzwalające. Jest to zbocze narastające w kanale 3. W efekcie uzyskujemy oscylogram przedstawiony na rys. 13.

Inne narzędzia

Rys. 11. Wyzwalanie typu Slew Rate dla trzech różnych szybkości zmian sygnału

Użytkownik oscyloskopu RTE może korzystać z szeregu typowych narzędzi pomiarowych i obliczeniowych. Niektóre z nich wykorzystują specyficzne możliwości przyrządu. Na przykład funkcja Zoom służąca do powiększania fragmentów oscylogramu może być w wygodny sposób obsługiwana myszką lub palcem. Zaznaczanie obszaru palcem jest bardzo intuicyjne i efektywne, natomiast nie zawsze odpowiednio precyzyjne.

Dokładne ustalanie zakresu powiększenia najczęściej jest wykonywane za pomocą uniwersalnego pokrętła nawigacyjnego lub przez wprowadzenie wartości liczbowych x i y w oknie dialogowym z użyciem ekranowej klawiatury numerycznej. Powiększenie jest wyświetlane w odrębnym dużym oknie, najczęściej poniżej zmniejszonego okna z całym przebiegiem. Okien zoom może być kilka. Dopuszczalne jest nawet tworzenie powiększenia z wcześniej powiększonego fragmentu oscylogramu.

Rys. 12. Okno konfiguracji parametru Holdoff

Funkcja Multiple Zoom jest też wygodna do obserwacji kilku detali przebiegu. Ciekawym rozwiązaniem zastosowanym w oscyloskopach RTE są skojarzone ze sobą okna Zoom. Zmiana powiększenia w jednym oknie powoduje analogiczną zmianę powiększenia w innym oknie. Innym interesującym rozwiązaniem jest Hardware Zoom.

Funkcja ta, zgodnie z nazwą realizowana sprzętowo, powoduje lokalną zmianę nastaw oscyloskopu (wyzwalanie, czułość podstawa czasu) tak, aby powiększany obszar był wyświetlany z pokazaniem maksymalnej ilości szczegółów.

To nie koniec niespodzianek dotyczących funkcji Zoom. Ma ona jeszcze jedną odmianę - Fingertip Zoom. Można powiedzieć, że powoduje włączenie lupy czasowej w pewnej części ekranu wskazanej palcem.

Przejdźmy teraz do pomiarów. Są one wykonywane z użyciem kursorów, pomiarów automatycznych i tzw. szybkich pomiarów. Nie będzie bardzo przesadzone stwierdzenie, że mierzone są chyba wszystkie parametry, które dadzą się zmierzyć.

Rys. 13. Wyzwalanie sekwencyjne

Jest więc grupa parametrów napięciowych (amplitudowych), czasowych, obszarowych, zliczających (np. pulse count), są parametry związane z wykresami oczkowymi (np. jitter) i widmem. Pomiary są uzupełniane statystykami. Analizę specyficznych cech sygnału można prowadzić wykorzystując wykres typu histogram (rys. 15) i funkcję FFT. Mocnym wsparciem są również zaawansowane obliczenia matematyczne.

Kolejnym narzędziem są maski. Rohde&Schwarz zastosował własne rozwiązanie tego zagadnienia. Jego zaletą jest możliwość ręcznego definiowania obszaru maski, oprócz typowego definiowania automatycznego wykonywanego na podstawie przyjętych tolerancji zmian sygnału wzorcowego.

W artykule poruszono wcześniej zagadnienia związane z poszukiwaniem przypadkowych zakłóceń. Do listy narzędzi wykorzystywanych w tym celu należy dopisać również test maski, za pomocą którego można efektywnie wychwytywać sporadycznie pojawiające się artefakty sygnału.

Rys. 14. Okno konfiguracji wyzwalania typu Sequence, a) opcje dla pierwszego zdarzenia, b) opcje dla drugiego warunku

Pomiar taki może być skonfigurowany tak, by w chwili przekroczenia dozwolonego obszaru zmian badanego sygnału następowało generowanie impulsu dostępnego na gnieździe wyjściowym. Sygnał taki może być wykorzystywany do inicjowania określonych reakcji sprzętowych.

Wydajnym narzędziem wspomagającym pomiary oscyloskopem RTE1034 jest funkcja Search. Jest ona wykorzystywana do przeszukiwania zapisanych w rejestrze akwizycji detali sygnałów. Definiowanie poszukiwanych szczegółów odbywa się niemal identycznie jak wprowadzanie warunków wyzwalania.

Windows - zaleta czy wada?

Rys. 15. Histogram

Windows jako system operacyjny oscyloskopu ma szereg zalet, ale spora grupa użytkowników może mieć też związane z tym wątpliwości. Rohde&Schwarz nie jest pierwszym, i prawdopodobnie nie ostatnim producentem, który decyduje się na takie rozwiązanie. Niestety, testy potwierdziły obawy sceptyków - aplikacja oscyloskopu zawiesiła się w trakcie testów, na szczęście system zachował stabilność.

Po ponownym uruchomieniu aplikacji, konieczne było natomiast przeprowadzenie kalibracji oscyloskopu. Można mieć tylko nadzieję, że była to tylko początkowa niedyspozycja przyrządu, wszak jest to nowy wyrób. Ogólna ocena oscyloskopu jest jednak bardzo pozytywna.

Jarosław Doliński
Rohde & Schwarz
www.rohde-schwarz.com