Использование специальных режимов схемы синхронизации и развертки цифровых запоминающих осциллографов для регистрации сложных сигналов. Часть 1. Специальные режимы схемы синхронизации

Неизменным спутником инженера/разработчика или исследователя в последнее время стал цифровой запоминающий осциллограф (ЦЗО). Современные достижения элементной базы, разработки в программном обеспечении позволили создать средства визуального отображения сигналов, о которых инженеры 10 лет назад не могли и мечтать.

Все статьи цикла:

• Использование специальных режимов схемы синхронизации и развертки цифровых запоминающих осциллографов для регистрации сложных сигналов. Часть 1. Специальные режимы схемы синхронизации
• Использование специальных режимов схемы синхронизации и развертки цифровых запоминающих осциллографов для регистрации сложных сигналов. Часть 2. Специальные режимы развертки

Вотличие от анализаторов спектра, частотомеров, измерителей КСВ, вольтметров, осциллограф дает возможность рассмотреть сигнал именно на физическом уровне, заглянуть внутрь как быстрых или однократных, так и медленных непериодических процессов. Зафиксировать аномалии сигнала, произвести запись сигнала, создавать и хранить базы данных результатов различных измерений и экспериментов, производить статистическую обработку полученных данных — эти и многие другие возможности присущи многим современным осциллографам. О достоинствах и недостатках цифровых осциллографов написано уже немало. Напомним основные достоинства ЦЗО:

• возможность записи однократных быстрых или, наоборот, медленных сигналов;
• автоматические измерения параметров исследуемого сигнала;
• расширенные возможности синхронизации;
• сохранение записанных данных для последующей обработки;
• связь с электронно-вычислительными машинами.

Однако не секрет, что наряду с перечисленными преимуществами, ЦЗО обладают и существенным недостатком — это достаточно большое время простоя осциллографа в момент обработки полученных данных перед выводом графической информации на экран. В моменты этого простоя информация о сигнале, поступающем на вход ЦЗО, теряется безвозвратно, и восстановить ее не представляется возможным. Поэтому в последнее время достаточно много производителей ЦЗО пытаются снизить эффект «холостого простоя», используя различные технические решения. Аналоговые осциллографы, в отличие от ЦЗО, данным недостатком практически не обладают, поскольку время простоя для аналогового осциллографа—это время обратного хода луча развертки, и это время пренебрежимо мало. Поэтому в специальной литературе при анализе тех или иных новых ЦЗО все чаще и чаще появляются сравнительные данные о близости новой модели ЦЗО к аналоговому осциллографу по скорости обновления экрана или возможности захвата различных сигналов, включая аномалии.

Попробуем проанализировать возможноsсти различных способов захвата и отображения сигнала. Так, например, один из осциллографов, представленных сегодня на рынке и использующих технологию MegaZoom III, действительно обладает самой высокой способностью обновления осциллограмм и по заверению производителя не нуждается в специальных режимах работы для улучшения захвата осциллограмм. Как уже отмечалось, скорость захвата осциллограмм имеет важное значение для ЦЗО именно с точки зрения реализации его преимуществ по сравнению с аналоговым осциллографом. Сама по себе скорость захвата осциллограмм не имеет большой практической ценности, поскольку человеческий глаз не способен различить смену кадров изображения более чем примерно 50 раз в секунду (напомним, что на этом принципе и строится аналоговое телевизионное вещание), тем более что и мозг человека не способен проанализировать более 50 изображений в секунду. Практическая ценность скорости захвата осциллограмм ЦЗО заключается именно в возможности зафиксировать, увидеть и произвести измерения сигнала в реальном для человека масштабе времени. Очевидно, что и в аналоговом осциллографе при минимальном послесвечении электроннолучевой трубки (ЭЛТ) единичные аномалии сигнала частотой более 50 Гц будут потеряны из-за особенностей зрения человека. Поэтому все ЭЛТ, используемые в осциллографах, имеют определенное послесвечение, позволяющее на некоторое время зафиксировать и увидеть аномальное отклонение сигнала от периодического состояния. К слову сказать, первые запоминающие осциллографы как раз и использовали запоминание на ЭЛТ. Итак, нужен некий буферный механизм, позволяющий согласовать возможности быстрого захвата ЦЗО и медленного восприятия органа зрения человека. Необходимость такого буфера становится очевидной при исследовании некоего периодического сигнала, в котором иногда возникают артефакты (рис. 1). На экране осциллографа видно, что сигнал представляет собой пакет, содержащий 10 импульсов, но иногда в структуре сигнала возникает сбой и число импульсов меняется. Использование послесвечения экрана осциллографа четко показывает, что стабильными в пакете являются только 7 импульсов (у них отсутствует постоянная линия «земли») остальные импульсы то присутствуют, то нет. Что это за артефакты, с какой периодичностью они повторяются, каковы их параметры, как создать «библиотеку» артефактов в реальном масштабе времени?

Способ 1. Использование послесвечения. Как видно на рис. 1, послесвечение позволяет очень четко определить именно наличие отклонения от нормальной формы сигнала, однако не может дать ответы на вопросы, с какой периодичность следует сбой, какую форму он имеет и в какой последовательности следуют отклонения. И, как следствие, становятся невозможными измерения временных, амплитудных и статистических параметров сбоя. Итак, при использовании первого способа цель не достигнута.

Способ 2. Длинная память. Попытаться найти ответ можно при использовании длинной памяти осциллографа — записать в память осциллографа 8 млн точек, растянуть сигнал в 40 000 раз и, используя регулятор временной задержки, методом прокрутки найти интересующие артефакты.

Пример № 1. Так, на рис. 2 приведена осциллограмма при захвате на времени развертки 2 секунды. Верхняя осциллограмма — это исходный сигнал, нижняя осциллограммарастяжка верхней осциллограммы до времени развертки 50 мкс, при котором становятся видны импульсы. Теперь обнаруживается, что артефакты повторяются достаточно редко, это может быть и реже, чем 1 раз в 20 секунд (а это время, в течение которого происходит регистрация сигнала), и регистрации артефакта вообще не было. Попытка увеличить время развертки для захвата как можно большей временной области приводит к снижению частоты дискретизации, что ведет за собой значительное искажение формы входного сигнала. Напомним, что исходный сигнал содержит не менее 7 импульсов, как это четко показало послесвечение, а на рис. 2 их всего три. Частота дискретизации связана со временем развертки следующим соотношением:

где 10 — число отображаемых делений экрана (чаще всего 10 делений, но у некоторых моделей ЦЗО это число может быть и больше). И, как следует из этой формулы, при увеличении времени развертки частота дискретизации линейно уменьшается, что и приводит к искажению формы сигнала на рис. 2.

Кроме того, следует учитывать, что при растяжке сигнала в 40 000 раз довольно сложно искать артефакты, особенно если осциллограф их не захватил. Итак, при использовании второго способа цель тоже не достигнута, несмотря на то, что длинная память как раз и предназначена для фиксации как можно большей части сигнала, включая редкие артефакты. Как видно из приведенного примера, использование длинной памяти имеет некоторые ограничения.

Способ 3. Запись осциллограмм. Использование возможности записи осциллограмм — это одно из основных преимуществ ЦЗО перед аналоговыми осциллографами. Попробуем последовательно записывать в память осциллограммы, считая, что в память ЦЗО будут записаны осциллограммы, содержащие артефакты. После этого мы можем просмотреть осциллограммы, найти содержащие артефакты и произвести измерения всех интересующих параметров (хотя если артефакт повторяется один раз за тысячу сигналов, необходимо просмотреть 1001 осциллограмму, что является весьма трудоемкой задачей). При попытке записи осциллограмм обнаруживается, что скорость записи осциллограмм в миллионы раз меньше скорости их захвата, гигантский объем информации теряется безвозвратно и, опять же, оперативно достичь необходимого результата невозможно. К тому же из всего объема памяти 8 Мбайт на одну осциллограмму сохраняется лишь максимум 1000 точек, а это в 8000 раз меньше самой длины памяти! Итак, при использовании третьего способа цель также не достигнута.

Пример № 2. В последовательности импульсов прямоугольной формы периодически (или не периодически) наблюдается сбой. Режим отображения осциллограммы без послесвечения не в состоянии зафиксировать артефакты (рис. 3).

При включении режима послесвечения видно, что сигнал искажается, и очень сильно (рис. 4). Ответы на вопросы, что это за артефакты, каковы их параметры и с какой периодичностью они повторяются при использовании способов 1, 2 и 3, к сожалению, для данного ЦЗО получить невозможно.

Пример № 3. В последовательности импульсов наблюдается сбой. Как видно на рис. 5, артефакт выражается в появлении в структуре сигнала импульса с фронтом нарастания и спада, отличающимся от фронтов регулярного сигнала. Аналогично примерам 1 и 2, осциллограф фиксирует артефакт, но определить, сколько импульсов имеют искаженный фронт и какова периодичность возникновения искажений, невозможно.

К сожалению, очевидно, что использование только элементов длинной памяти и высокого быстродействия ЦЗО не дает широких возможностей при исследовании сигнала. Как видно, более действенным оказывается режим послесвечения. Уделяя большое внимание скорости захвата осциллограмм, иногда разработчики ЦЗО игнорируют современные возможности схемы запуска развертки и режима работы развертки. К слову, для анализа скорости захвата осциллограмм можно ввести понятие КПД осциллографа:

Из данных, приводимых различными производителями ЦЗО, нетрудно рассчитать, что КПД находится в пределах от 0,1% на быстрых развертках до 50%—на медленных. Что такое КПД 0,1%? Это одна захваченная осциллограмма из 1000, что по сути не очень и мало для любого ЦЗО. 50 %— захвачена каждая вторая осциллограмма, и это действительно прекрасный результат. Примеры, приведенные выше для артефактов, присутствующих в сигнале, конечно, достаточно просты, но они наглядно показывают, что только быстрого сбора и вывода информации на экран ЦЗО в большинстве случает недостаточно. Особенно если речь идет о разработках новых сложных электронных систем, содержащих сложные как аналоговые, так и цифровые сигналы. Или если проводятся научные эксперименты и серьезные исследования.

В современных ЦЗО для наблюдения, фиксации, измерения параметров сигналов и статистической обработки широко используются два метода:

1. использование современных расширенных режимов работы схемы синхронизации;
2. использование специальных режимов развертки.

Применение этих способов по отдельности или совместно позволяет полностью решить задачи, приведенные в примерах 1, 2 и 3, а также гораздо более широкий круг задач, стоящих перед разработчиком или исследователем.

Современные цифровые осциллографы, например LeCroy, помимо традиционного для аналогового осциллографа запуска по положительному или отрицательному фронту, имеют расширенные возможности схемы синхронизации (или другое название — условия запуска развертки). Режимы синхронизации современного цифрового осциллографа можно разделить на следующие типы:

1. по заданным условиям синхронизации осциллографы подразделяются на условные и безусловные;
2. по количеству задействованных входных каналов осциллографа они делятся на связанные и несвязанные.

Условные режимы синхронизации — это режимы синхронизации, для запуска развертки которыми требуется анализ параметров входного сигнала, и синхронизация происходит только при выполнении определенных условий (например, синхронизация по длительности или рантовая синхронизация). Если запуск развертки осуществляется только по уровню входного сигнала, то такая синхронизация считается безусловной. К безусловным режимам синхронизации можно отнести и синхронизацию по фронту.

Связанные режимы синхронизации — это режимы синхронизации, для запуска развертки которыми требуется выполнение определенных условий по состоянию уровней входных сигналов на нескольких входах осциллографа одновременно. К связанным режимам синхронизации можно отнести синхронизацию по качеству или логический запуск. Очевидно, что все виды синхронизации по условиям являются несвязанными.

1. Запуск по условиям длительности сигнала. Запуск происходит по положительным или отрицательным импульсам (хотя упоминание термина «импульс» здесь и далее носит больше символический характер, поскольку входной сигнал реально может иметь любую форму). В качестве условия запуска задается значение параметра длительности импульса и условия его контроля — больше, меньше, в пределах или за пределами заданных значений. Длительность импульса измеряется на заданном пользователем уровне. Запуск будет происходить в случае выполнения заданных условий запуска. Очевидно, что манипуляции с условиями контроля длительности импульса и уровня дают возможность фиксации очень широкого диапазона сигналов. Так, на рис. 6 приведен пример регистрации сигнала по условиям длительности.
2. Запуск по глитчу. Запуск по ширине глитча — частный случай режима запуска по длительности. Запуск происходит по импульсам, имеющим длительность не более заданной или входящую в заданный диапазон длительностей. Напряжения и диапазоны напряжений в расчет не берутся. На рис. 7 приведен пример регистрации глитча.
3. Запуск по интервалу. В отличие от режима синхронизации по глитчу, в режиме синхронизации по интервалу, значение имеет не длительность импульса, а длительность интервала, разделяющего два последовательно идущих фронта одной и той же полярности — положительной или отрицательной. Этот режим синхронизации можно использовать для регистрации интервалов, длящихся меньше или больше заданного времени. Можно также определить диапазон длительностей, в котором или вне которого должен находиться интервал между двумя фронтами, чтобы вызвать запуск развертки. На рис. 8 приведен пример синхронизации периодического импульсного сигнала. В данном случае режим запуска по интервалу позволяет получить устойчивую синхронизацию, несмотря на то, что период повторения данной последовательности составляет 100 мс, а наблюдение сигнала происходит при развертке 20 мкс/дел.
4. Запуск по скорости нарастания (спада) сигнала. Скорость нарастания (спада) сигнала — это время, в течение которого происходит изменение (нарастание или спад) сигнала от заданного нижнего уровня 1 к заданному верхнему уровню 2. Также в качестве условия запуска задается значение параметра скорости нарастания и условия его контроля — больше, меньше, в пределах или за пределами заданных значений. Запуск развертки осуществляют только те сигналы, у которых скорость нарастания попадает в заданные пределы. Скорость нарастания (спада) сигнала не следует трактовать только как время нарастания или спада сигнала, характерного для фронтов импульсного сигнала — это более широкое понятие, включающее в себя общее время изменения сигнала от уровня 1 до уровня 2, в течение которого сигнал может многократно изменять вектор, лишь бы он находился в пределах зоны, образованной уровнями 1 и 2. Так, на рис. 9 приведен пример синхронизации по скорости для трехуровневого сигнала.
5. Рантовая синхронизация (рис. 10). Рант — это импульс положительной или отрицательной полярности, имеющий меньший уровень, чем все остальные импульсы в регулярной последовательности. Запуск развертки осуществляют только те импульсы, амплитуды которых попадают в заданный пользователем диапазон согласно условиям, когда импульс пересечет 1-й заданный порог уровня, но не пересечет 2-й заданный порог уровня и повторно пересечет 1-й порог. Этот вид синхронизации позволяет производить запуск развертки по сигналу, отличающемуся только по уровню в последовательности периодического сигнала, когда частота и длительность для всего сигнала одинакова. В этом режиме можно также задавать диапазон длительностей ранта и напряжений, в этом случае запуск развертки будет происходить в случае нахождения длительности и амплитуды ранта внутри либо за пределами заданного диапазона. Для регистрации ранта в сигнале очевидно, что невозможно воспользоваться стандартной синхронизацией по уровню, поскольку алгоритм синхронизации по уровню предполагает запуск развертки при превышении установленного уровня запуска при нарастающем фронте и при снижении ниже заданного уровня при отрицательном фронте. Регистрация ранта требует как раз обратных условий — запуск развертки при уровне, не превышающем заданного значения.
6. Запуск по параметрам окна. Окно — это зона с верхней и нижней границами, между которыми находится значение уровня запуска. Схема запуска срабатывает, когда уровень сигнала пересекает границу в направлении выхода из зоны. Следующий запуск возможен после возврата сигнала в зону окна. Запуск по параметрам окна — это алгоритм синхронизации, обратный рантовой синхронизации. При этой синхронизации запуск развертки производится не по сигналам, находящимся в пределах диапазона уровня ранта, а за пределами установленного диапазона, который называется окном. То есть в этом режиме синхронизации возможна регистрация артефактов, превышающих по модулю значение «ординарного» сигнала, как вверх, так и вниз. Рис. 11 поясняет действие синхронизации по параметрам окна.

На рис. 12 приведена осциллограмма сигнала, на отдельных участках которого четко видны различные артефакты — как положительные, так и отрицательные.

Применение синхронизации по параметрам окна позволяет выделить артефакты положительной полярности (пример одного такого артефакта приведен на рис. 13) или артефакты отрицательной полярности (рис. 14).

Кроме того, в этом виде синхронизации появляется возможность задержки запуска развертки на время или на событие. Задержка запуска на время — это синхронизация, при которой запуск развертки происходит после наступления условий синхронизации и спустя заданное время. Задержка запуска на событие — это синхронизация, при которой при наступлении условий синхронизации запуск развертки игнорируется, при обнаружении второго условия синхронизации запуск развертки опять игнорируется, и так n раз (где n—заданное число событий); при (n+1)-подтверждении условий синхронизации происходит запуск развертки, и при следующем цикле синхронизации n условия синхронизации снова игнорируются.

7. Отложенный запуск (рис. 15). Используется главным образом при регистрации однократных событий и обычно с предпусковой задержкой. С его помощью можно фиксировать моменты пропадания сигнала. Запуск происходит по истечении времени ожидания, исчисляемого от последнего прохождения уровня запуска.
8. Логический запуск. Это связанный вид синхронизации, в котором участвуют несколько входных каналов, позволяющий организовать запуск по логическим условиям. Входами логической схемы являются каналы осциллографа (канал 1, 2, 3 и 4 и вход внешней синхронизации). Для формирования логической функции имеется 4 логических оператора (И, НЕ-И, ИЛИ, НЕ-ИЛИ). По каждому из входов независимо от других каналов можно установить высокий уровень (логической единицы) или низкий уровень (логического нуля).

Здесь также не следует трактовать входные сигналы только как имеющие два стабильных состояния, присущих логическим схемам: входной сигнал может иметь различные амплитуды и различную форму сигнала, но при превышении верхнего порогового уровня он фиксируется схемой синхронизации как «единица», а при снижении ниже нижнего порогового уровня — как «ноль». Так, на рис. 16 приведен пример логической синхронизации, при которой три входных сигнала имеют двоичные значения, а четвертый— несколько различных уровней, один из которых как раз и является последним подтверждающим условием запуска. Также отличительной особенностью осциллографов LeCroy является то, что для анализа сигналов на логическое состояние и запуска развертки нет необходимости отображать входные сигналы на экране осциллографа — анализ входных сигналов происходит даже при выключенных каналах.

9. По качеству. При этой синхронизации необходимо задействовать два любых канала осциллографа, включая вход внешней синхронизации. Это режим синхронизации, при котором положительный или отрицательный фронт одного сигнала (канала) служит разрешением на запуск от другого сигнала (канала). В этом режиме также может задаваться задержка на время или количество событий после прихода разрешающего фронта, по истечении которого должен произойти запуск развертки. На рис. 17 приведен пример синхронизации по качеству с задержкой на одно событие.
10. По состоянию (рис. 18). При этой синхронизации необходимо задействовать два любых канала осциллографа. Запуск осуществляется по стабильному уровню одного канала, согласно которому сигнал, определяющий условие запуска на втором канале, должен быть выше или ниже заданного уровня. Отличие от запуска по качеству состоит в том, что сигнал первого канала должен оставаться именно ниже или выше заданного уровня, а не временно переходить в области выше или ниже этого уровня, как при синхронизации по качеству.
11. ТВ-синхронизация. Обеспечивает устойчивый запуск от стандартного (или специального) композитного видеосигнала с возможностью выделения строк. Возможно исследование сигнала в системах PAL, SECAM, NTSC, HDTV.

Как видно из описания видов синхронизации, приведенных выше, для поиска артефактов, показанных на рис. 3–5, в сигнале наиболее подходящими являются виды синхронизации по длительности, глитчу, рантовая, по скорости, по интервалу и отложенный запуск. Их условно можно разделить как наиболее подходящие для поиска артефактов по амплитуде — это рантовая синхронизация. Для поиска временных артефактов — это запуск по скорости нарастания (спада) сигнала, запуск по условиям длительности сигнала, по глитчу и по интервалу. Очевидно, что возможно комбинирование условий синхронизации, например рантовой и по длительности, в этом случае возможна фиксация ранта заданной длительности.

Примеры, приведенные выше, — это лишь небольшая часть возможностей схемы запуска развертки современного ЦЗО для наблюдения и регистрации сигналов различной формы, поиска и фиксации артефактов. Использование в полной мере всех возможностей схемы синхронизации дает мощный инструмент для исследований и различных разработок в самых широких областях науки и техники.

Возможности схемы синхронизации, приведенные выше, позволили четко фиксировать аномалии в сигнале, проводить измерения параметров этих аномалий, создавать базу данных по аномалиям. Но задача, с какой периодичностью повторяются аномалии, как создать библиотеку артефактов в реальном масштабе времени для анализа, осталась нерешенной.

Осциллографы LeCroy серий WaveRunner, WavePro иWaveMaster, SDA, в отличие от всех других осциллографов, присутствующих на рынке, также позволяют производить измерения времени между запусками развертки. Информация о времени между запусками развертки у осциллографов LeCroy фиксируется, сохраняется и анализируется. Эта функция измерения является стандартной для всех серий осциллографов LeCroy. Для примера можно использовать осциллограф WavePro-7100А в режиме регистрации артефактов при синхронизации по длительности. На рис. 19 приведена осциллограмма последовательной регистрации артефактов, режима измерения времени между соседними запусками развертки и гистограмма статистики по запускам.

Как видно из рис. 19, результаты измерений между запусками (левое окно измерений Р1) показывают, что минимальное время между артефактами равно 685 мкс, максимальное время 1,51 с, а среднее время между артефактами составляет 1,11 с. Статистика об интервалах времени между запусками была собрана при регистрации 649 артефактов. На основании этих статистических данных можно построить гистограмму распределения (на рис. 19 она выделена красным цветом). Как видно из анализа гистограммы, в основном артефакты появляются с 6 различными периодами повторения. Для получения данных о каждом пике гистограммы (или о каждом из 6 временных интервалов появления артефакта) можно также воспользоваться режимом автоматических измерений (на рис. 19 это окна Р2-Р5) или использовать курсор (результат его измерений приведен в правом нижнем углу). Наибольшая амплитуда пика гистограммы соответствует самому часто повторяющемуся значению запуска развертки. Одновременно на экран осциллографа можно выводить и гистограммы других измеряемых параметров. Например, если запуск развертки осуществлялся по условиям длительности импульса, то, очевидно, небезынтересно будет произвести измерение всего массива длительностей импульсов, соответствующих условиям запуска и также произвести построение гистограммы длительности.

Из приведенной информации можно сделать вывод, что только использование расширенных режимов схемы синхронизации совместно с алгоритмами проведения измерений параметров самого сигнала и измерений параметров схемы запуска со статистической обработкой дает наглядные результаты при исследовании сигналов различной, даже самой сложной, формы.

Продолжение следует