Осциллографы классифицируются на аналоговые и цифровые. В отличие от аналоговых моделей в цифровых осциллографах используется аналого-цифровой преобразователь (АЦП) для преобразования измеряемого напряжения в цифровой вид. АЦП выполняет периодический захват сигнала и направляет в память захваченные выборки. Из множества сохраненных в памяти выборок осциллограф строит форму измеряемого сигнала. Затем полученная информация выводится на экран (см. рис. 1).
Цифровые осциллографы подразделяются на:
- цифровые запоминающие осциллографы (DSO);
- осциллографы с цифровым люминофором (DPO);
- стробоскопические осциллографы.
Применение цифровой технологии предполагает способность осциллографа отобразить сигнал любой частоты в пределах полосы пропускания прибора в чётком, ясном и стабильном виде. Для периодических сигналов полоса пропускания осциллографа определяется, как правило, аналоговой полосой его входного каскада, рассчитываемой по уровню –3 дБ. Для однократных событий и переходных процессов (импульсных сигналов) полоса пропускания может быть ограничена частотой выборки осциллографа.
Рис.1. Технологии обработки сигналов и их отображение на экранах аналогового и цифрового осциллографов.
Цифровые запоминающие осциллографы
Обычный цифровой осциллограф позиционируется как цифровой запоминающий осциллограф (DSO). Дисплей такого прибора относится к экрану растрового типа, в отличие от люминофорного экрана аналоговых запоминающих осциллографов.
DSO позволяют захватывать и просматривать события, случающиеся однократно, например переходные процессы. Поскольку информация о сигнале существует в цифровом формате в виде последовательности сохранённых бинарных значений, эти значения можно легко анализировать, архивировать, распечатывать, либо обрабатывать каким-либо иным способом, как в самом осциллографе, так и во внешнем компьютере. В этом случае для сигнала нет необходимости быть непрерывным; сигнал может быть отображён на экране прибора даже тогда, когда сам он уже давно исчез. В отличие от аналоговых моделей, цифровые запоминающие осциллографы обеспечивают постоянное сохранение в памяти захваченной информации, разностороннюю обработку параметров и их анализ. Однако такие приборы не отображают градации яркости развертки сигнала в реальном времени, поэтому DSO неспособны наглядно представлять изменяющиеся “живые” сигналы.
Рис. 2. Архитектура последовательной обработки входных сигналов цифровым запоминающим осциллографом (DSO).
Рис.3. Цифровые запоминающие осциллографы обладают высоким быстродействием в режиме одиночного захвата сигналов по нескольким каналам. Это повышает вероятность захвата неуловимых глитчей и переходных процессов.
В зависимости от производительности осциллографа, может выполняться дополнительная обработка выборок, что значительно повышает качество и достоверность отображаемой информации. Также возможно использование режима упреждающего запуска, который позволяет просматривать сигнал непосредственно перед моментом запуска. Большинство современных цифровых осциллографов обладают широким набором режимов автоматического измерения параметров, что в целом, упрощает процедуру исследования сигналов.
DSO обеспечивает высокую производительность в режиме одиночного захвата по нескольким каналам (см. рис. 3). Осциллографы DSO идеальны для исследований высокоскоростных сигналов в нескольких каналах с невысокой скоростью захвата или с одиночными захватами. При проектировании цифровых устройств инженеры обычно анализируют от четырёх и более сигналов одновременно – в таких задачах DSO становится незаменимым помощником.
Осциллографы с цифровым люминофором
В осциллографах этого типа (DPO) используется новый принцип обработки сигнала, предоставляющий уникальные возможности захвата данных и точного воспроизведения осциллограммы на экране.
В то время, как в DSO применяется технология последовательной обработки сигналов для их захвата, отображения и анализа, в DPO для выполнения тех же задач используется параллельная обработка (см. рис. 4). DPO построены на основе специализированной ПЛИС (программируемой логической интегральной микросхемы), реализующей захват и формирование изображения развертки сигналов с чрезвычайно высокой скоростью, что, в итоге, приводит к высокому качеству визуализации сигнала на экране прибора.
Этот подход значительно повышает вероятность обнаружения быстротекущих процессов, происходящих в цифровых системах, таких как поврежденные импульсы, глитчи и различные переходные процессы, а также предоставляет дополнительные возможности анализа.
Рис. 4. Архитектура параллельной обработки сигналов в осциллографе с цифровым люминофором
Когда база данных цифрового люминофора передаётся на дисплей осциллографа, то дисплей воспроизводит наиболее интенсивные области развертки сигнала пропорционально их частоте появления в каждой точке, что очень похоже на градацию яркости у аналоговых осциллографов. Точно также DPO даёт возможность выделить события в зависимости от частоты их появления за счет градации цвета, но эта функция уже отсутствует у аналоговых моделей. При помощи DPO легко увидеть разницу между сигналами, захваченными при каждом запуске, и сигналом, захваченным, например, при каждом 100-ом запуске.
Осциллографы с цифровым люминофором стирают границу между аналоговыми и цифровыми моделями этого вида приборов. При помощи DPO одинаково удобно исследовать высокие и низкие частоты, периодические сигналы, переходные процессы и комплексные сигналы в реальном времени. Только DPO обладают возможностью представления сигнала по оси Z (градация яркости при отображении на дисплее) в реальном времени, что отсутствует у цифровых запоминающих осциллографов.
DPO – идеальный инструмент для тех, кто занимается разработкой цифровых устройств широкого применения, а также для отладки различного электронного оборудования (см. рис. 5). DPO отлично подходит для глубокого анализа, тестирования телекоммуникационных сигналов по маске, отладки схем с перемежающимися и периодическими сигналами, а также задач, где требуется синхронизация по времени.
Рис.5. Некоторые DPO способны делать миллионы захватов в течение секунд, что чрезвычайно повышает вероятность регистрации переходных процессов и трудноуловимых событий – всего того, что характеризует динамическое поведение сигналов.
Рис.6. MSO имеет 16 встроенных цифровых каналов, позволяя отображать и анализировать коррелированные по времени аналоговые и цифровые сигналы.
Осциллографы смешанных сигналов (MSO) сочетают характеристики осциллографов с цифровым люминофором (DPO) с базовыми функциями 16-канального логического анализатора, включая возможность декодирования протокола параллельных/последовательных шин и запуска по сигналам этих шин. Цифровые каналы MSO, подобно любой логической схеме, видят цифровой сигнал, как последовательность высоких и низких логических уровней. Это значит, что пока звоны, выбросы и скачки уровня земли не вызывают логических переходов, эти аналоговые эффекты в MSO не учитываются. Подобно логическому анализатору, для определения высокого или низкого логического уровня сигнала MSO использует пороговое напряжение.
MSO очень удобен для быстрой отладки цифровых схем, предлагая разнообразные функции запуска, регистрацию с высоким разрешением и средства анализа. Одновременный анализ аналоговых и цифровых сигналов, как показано на рис. 6, позволяет быстро выявлять основные причины многих проблем, превращая MSO в идеальный прибор для проверки и отладки цифровых схем.
Цифровые стробоскопические осциллографы
В отличие от архитектуры цифровых запоминающих и осциллографов с цифровым люминофором, в сигнальном тракте цифрового стробоскопического осциллографа перед аттенюатором/усилителем включен стробоскопический смеситель (дискретизирующий мост), как это представлено на рис. 7. Входной сигнал проходит процедуру выборки, перед тем как выполняется его ослабление или усиления. Поскольку полоса сигнала после стробоскопического смесителя ограничивается, может быть использован относительно узкополосный усилитель. Таким образом, полоса пропускания входного усилителя не является ограничивающим фактором для частотного диапазона осциллографов такого типа.
Однако платой за широкую полосу осциллографов этой архитектуры является ограниченный динамический диапазон. Поскольку перед входом стробоскопического смесителя отсутствует аттенюатор/усилитель, то отсутствует и возможность изменения входных сигналов. Поэтому динамический диапазон входного сигнала осциллографа определяется динамическим диапазоном стробоскопического смесителя. У большинства стробоскопических осциллографов эта характеристика ограничена значением примерно 1 В (пик-пик), в отличие от цифровых запоминающих осциллографов и осциллографов с цифровым люминофором, на вход которых можно подавать сигнал амплитудой до 50 или до 100 В.
Рис.7. Архитектура цифрового стробоскопическего осциллографа.
Помимо всего прочего, перед стробоскопическим смесителем нельзя включить защитные диоды, поскольку это ограничит полосу пропускания. Это значит, что безопасное входное напряжение осциллографа такого типа составляет около 3 В, что является очевидным недостатком по сравнению со значением 500 В для осциллографов других типов.
При измерениях высокочастотных сигналов осциллографы DSO и DPO могут оказаться неспособными захватить достаточное количество выборок на одну развёртку. В этом случае цифровой стробоскопический осциллограф представляет собой идеальный инструмент для точного захвата сигналов с частотными составляющими, значительно превышающими скорость выборки прибора (рис. 8). Архитектура этих осциллографов позволяет работать с сигналами, полоса которых на порядок больше, чем у сигналов, доступных любому другому типу осциллографов. Стробоскопические осциллографы могут иметь ширину полосы пропускания и быстродействие системы запуска в десять раз выше, чем у любого другого прибора, предназначенного для измерений периодических сигналов. Современные стробоскопические осциллографы обладают полосой пропускания до 80 ГГц.
Рис.8. Динамическая рефлектометрия (TDR), выполняемая цифровым стробоскопическим осциллографом.