Oscyloskop HP54645D.pdf

Nowe wyzwania...

...i nowe rozwi¹zania

Oscyloskop analogowo−cyfrowy HP54645D

Czy pamiÍtasz drogi Czytelniku te lata kiedy

³atwo by³o podzieliÊ urz¹dzenia elektroniczne

na analogowe i†cyfrowe? Konstruktor systemu

analogowego bra³ z†pÛ³ki stary, dobry oscy-

loskop i†po kilku ruchach jego ga³kami wie-

dzia³, co szwankuje w†projektowanym urz¹-

dzeniu. Z†drugiej strony projektant systemu

cyfrowego rozwi¹zywa³ problem posi³kuj¹c siÍ

analizatorem stanÛw logicznych...

Ma³e zamieszanie wprowadzi³o pojawienie

siÍ na rynku tanich mikroprocesorÛw. Efektem

tego by³ gwa³towny wzrost zainteresowania

metodami cyfrowego przetwarzania sygna³Ûw

(CPS). Koncepcja ìucyfrowieniaî sygna³u ana-

logowego, a†nastÍpnie jego dalszej obrÛbki me-

todami CPS ma bowiem tÍ zaletÍ, øe zdecy-

dowanie upraszcza budowÍ urz¹dzenia - ob-

niøaj¹c jednoczeúnie koszt. Odpowiednie prze-

tworniki analogowe jak wzmacniacze, filtry,

itp. (sprzÍt) zostaj¹ zast¹pione ìprzetworni-

kiem wirtualnymî (fragmentem programu). Nie

bez znaczenia jest rÛwnieø zwi¹zana z†tym

miniaturyzacja urz¹dzeÒ. Dok³adnoúÊ takiego

systemu jest praktycznie ograniczona jedynie

dok³adnoúci¹ przetwornikÛw analogowo-cyfro-

wych i†b³Ídami arytmetyki procesora wykonu-

j¹cego obliczenia.

Tak wiÍc na prze³omie ostatnich kilkunastu

lat wykszta³ci³a siÍ nowa klasa urz¹dzeÒ elek-

tronicznych zwanych analogowo-cyfrowymi.

Konstruktorzy tych systemÛw borykaj¹ siÍ

z†problemami zwi¹zanymi z†dostÍpnoúci¹ ta-

nich, niezawodnych i†dok³adnych urz¹dzeÒ po-

miarowych umoøliwiaj¹cych weryfikacjÍ pro-

jektu. Do niedawna jedynym sposobem rozwi¹-

zania tego problemu by³o wykorzystanie zarÛ-

wno oscyloskopu jak i†analizatora stanÛw lo-

gicznych. Dopiero wprowadzony w†1996 roku,

przez firmÍ Hewlett-Packard nowy produkt -

oscyloskop cyfrowy HP54645D stanowi, w†tej

klasie urz¹dzeÒ, kompletne narzÍdzie pomia-

rowe. £¹czy bowiem prostotÍ obs³ugi oscylo-

skopu analogowego (klasyczne pokrÍt³a do usta-

wiania t³umienia wejúciowego, podstawy cza-

su, poziomu wyzwalania, po³oøenia, itp.)

z†moøliwoúci¹ jednoczesnej obserwacji sygna-

³Ûw pochodz¹cych z†18 punktÛw pomiarowych

(w tym do dwÛch sygna³Ûw analogowych i†do

16 cyfrowych). Nie jest to jednak zwyk³e zin-

tegrowanie, w†jednej obudowie, oscyloskopu

z†analizatorem stanÛw logicznych. PotÍga

HP54645D leøy w†moøliwoúciach wyzwalania

sygna³ami b¹dü kombinacjami sygna³Ûw ze

wszystkich 18 kana³Ûw. Pasmo o†szerokoúci

100MHz i†czÍstotliwoúÊ prÛbkowania 200MSa/

s kaødego z†18 niezaleønych przetwornikÛw

oscyloskopu, umoøliwia weryfikacjÍ popra-

wnoúci dzia³ania praktycznie kaødego wspÛ³-

czesnego urz¹dzenia zbudowanego na bazie 8-

bitowego mikrokontrolera. Charakterystyczn¹

cech¹ niemal kaødego urz¹dzenia analogowo-

cyfrowego jest operowanie na stosunkowo wol-

nych sygna³ach analogowych (reprezentuj¹cych

zjawisko fizyczne) oraz bardzo szybkich syg-

na³ach cyfrowych. Analiza wymaga zatem ob-

serwacji sygna³u w†d³ugim oknie czasowym,

ale jednoczeúnie z†zachowaniem duøej roz-

dzielczoúci w†dziedzinie czasu (innymi s³owy

szybko sprÛbkowanym). Przyrz¹d HP54645D

umoøliwia obserwacjÍ do 5ms przebiegu przy

zachowaniu maksymalnej rozdzielczoúci 5ns.

Dla lepszego zrozumienia wagi g³Íbokiej pa-

miÍci akwizycji, porÛwnujemy opisywany os-

cyloskop z†popularnymi oscyloskopami dostÍp-

nymi na rynku. Za³Ûømy, øe ten drugi ma

zdolnoúÊ prÛbkowania sygna³u z†czÍstotliwoú-

ci¹ 1GSa/s, ale wyposaøony jest w†pamiÍÊ tylko

tysi¹ca prÛbek. W†tym samym co poprzednio

oknie czasowym zostanie zarejestrowany sygna³

z†rozdzielczoúci¹... 5µs (czÍstotliwoúÊ prÛbko-

wania zostaje automatycznie zredukowana 1GHz

do 200kHz!). Nie ma to moøe specjalnego zna-

czenia w†przypadku badania regularnego prze-

biegu wolnozmiennego, ale w†systemie analo-

gowo-cyfrowym utrudnia analizÍ sygna³Ûw cyf-

rowych i†korelacjÍ tych ostatnich z†przebiegami

analogowymi. Nie zosta³o powiedziane, jak na

razie, o†wadach oscyloskopu wyposaøonego

w†g³Íbok¹ pamiÍÊ akwizycji. Zazwyczaj, w†kla-

sycznych oscyloskopach, podstawow¹ niedo-

godnoúci¹ jest tu istnienie tzw. d³ugiej strefy

martwej (ang. ìdead-timeî). W†tym czasie przy-

rz¹d pomiarowy nie reaguje na polecenia wy-

dawane przez operatora (dyskomfort uøytkowa-

nia) ale, co gorsze, nie wykonuje úledzenia

sygna³u wejúciowego (utrata informacji o†syg-

nale!). Wynika to z†koniecznoúci wykorzystania

ca³ej mocy obliczeniowej procesora oscylosko-

pu do przygotowania i†wyúwietlania na ekranie

zarejstrowanych prÛbek, uprzednio wpisanych

do pamiÍci. HP54645D nie jest jednak ìzwyk-

³ymî oscyloskopem. Zastosowana zosta³a w†nim

technika MegaZoom. Pod tym tajemniczym has-

³em kryje siÍ aø piÍÊ procesorÛw, pracuj¹cych

rÛwnolegle.

Odpowiednio 3†procesory odpowiedzialne s¹

za sterowanie:

1. Akwizycj¹ danych w†kana³ach analogowych.

2. Akwizycj¹ danych w†kana³ach cyfrowych.

3. Wyúwietlaniem prÛbek na ekranie oscylo-

skopu.

Czwarty procesor nadzoruje pracÍ ca³ego

systemu. Zastosowanie pi¹tego procesora wy-

nika bezpoúrednio z†funkcji, ktÛr¹ wykonuje.

Za³Ûømy, øe typowa rozdzielczoúÊ pozioma os-

cyloskopu cyfrowego wynosi 500 punktÛw.

W†tej sytuacji wyúwietlanie miliona prÛbek na

ekranie oznacza wyúwietlane 2000 prÛbek na

kaødy punkt w†osi X. Nie ma to specjalnego

sensu, gdyø obraz staje siÍ nieczytelny. Pi¹ty

procesor (komercyjnie stosowany procesor

DSP), pos³uguj¹c siÍ odpowiednio zoptymali-

zowanymi algorytmami CPS dokonuje decyma-

cji @250 (wybierania 1†z†poúrÛd 250) prÛbek

do wyúwietlania na ekranie (kompresja). Po-

krÛtce przyjrzyjmy siÍ podstawowym techni-

kom decymacji stosowanym w†oscyloskopach

cyfrowych:

- Prosta decymacja - kaødorazowo wybierana

jest pierwsza prÛbka a†kolejne 249 s¹ igno-

rowane. Poniewaø prÛbki s¹ pobierane za-

wsze w†rÛwnych odstÍpach czasu, istnieje

niebezpieczeÒstwo wyst¹pienia aliasingu.

W†zwi¹zku z†powyøszym, pomimo prostoty

implementacyjnej, Hewlett-Packard nie sto-

suje jej w†swoich oscyloskopach. Jedyny wy-

j¹tek od tej regu³y stanowi sytuacja, kiedy

w³¹czona jest w†oscyloskopie funkcja obli-

czania widma za pomoc¹ FFT (s¹ wÛwczas

wymagane rÛwne odstÍpy czasu).

- Decymacja losowa - kaødorazowo losowana

jest liczba z†przedzia³u (1,250) i†wybierana

do wyúwietlenia jest prÛbka o†wylosowanym

numerze. Jest to technika lepiej zabezpie-

czona przed aliasingiem, gdyø istnieje ma³e

prawdopodobieÒstwo aby sygna³ ìzaci¹³î siÍ

na czÍstotliwoúci sygna³u. W†tzw. trybie

ìnormalî jest to podstawowa technika sto-

sowana w†oscyloskopach HP.

- Decymacja z†detekcj¹ impulsÛw (ang. pe-

ak detection) - z†poúrÛd 250 prÛbek wybie-

rane s¹ dwie - jedna o†wartoúci (nie myliÊ

z†numerem) najmniejszej, a†druga o†wartoú-

ci najwiÍkszej. Jak nie trudno sobie wyob-

raziÊ stosuj¹c tÍ technikÍ moøna zobrazowaÊ

na ekranie oscyloskopu wszelkie anomalia

sygna³u, jak np. krÛtkie przepiÍcia.

HP54645D stosuje tÍ metodÍ kompresji da-

nych jednoczeúnie z†decymacj¹ losow¹, je-

øeli jest ustawiony na tryb ìpeak detectî.

Opisywan¹ technikÍ, jak kaødy tryb specjal-

ny, naleøy jednak stosowaÊ rozumnie. Jako

kontr-przyk³ad moøna podaÊ np. obrazowa-

nie sygna³u zmodulowanego amplitudowo.

Po w³¹czeniu trybu ìpeak detectî zobaczy-

my na ekranie wyraüny zarys obwiedni syg-

na³u, ale kszta³t noúnej bÍdzie nieczytelny.

- Decymacja wyg³adzaj¹ca (ang. smoothing)

- na ekranie wyúwietlana jest wartoúÊ úrednia

wyliczona z†250 prÛbek (nie naleøy myliÊ

wyg³adzanie z†uúrednianiem, to drugie doty-

czy ca³ego przebiegu). Technika ta odpowia-

da fizycznemu zastosowaniu filtru decyma-

cyjnego skaskadowanemu z†filtrem dolno-

przepustowym. W†HP54645D zastosowan¹ t¹

technikÍ tylko przy w³¹czonej funkcji uúred-

niania przebiegÛw, w†celu dodatkowego ogra-

niczenia zaszumienia przebiegu na ekranie.

Przedstawione techniki, jak siÍ juø uwaøny

Czytelnik zorientowa³, dotycz¹ kompresji wy-

úwietlanych danych z†kana³Ûw analogowych.

W†przypadku kana³Ûw cyfrowych HLP 54645D

bez wzglÍdu na tryb pracy oscyloskopu (ìnor-

malî czy ìpeak detectî) stosowan¹ zawsze

technik¹ jest decymacja z†detekcj¹ impulsÛw

(w tym przypadku okreúlana mianem ìglicht

detectî).

Reasumuj¹c dziÍki zrÛwnolegleniu przetwa-

rzania danych w†oscyloskopie uzyskano

zmniejszenie strefy martwej, szybkie reagowa-

nie na zmiany ustawieÒ oscyloskopu zadawane

przez operatora oraz szybkie odúwieøanie ek-

ranu (3 miliony punktÛw na sekundÍ). To

jednak nie koniec dobrodziejstw techniki Me-

gaZoom. Zgodnie z†tym co moøe sugerowaÊ

nazwa, technika ta pozwala rÛwnieø na prze-

gl¹danie pamiÍci prÛbek za pomoc¹ powiÍk-

szania interesuj¹cych fragmentÛw przebiegu jak

rÛwnieø przesuwaniu siÍ po pamiÍci w†osi

czasu i†to zarÛwno w†czasie, gdy oscyloskop

wykonuje akwizycjÍ (co pewnie nikogo nie

dziwi) jak i†kiedy akwizycja jest zatrzymana.

Poniewaø wiemy juø doskonale jak przebie-

ga pomiar, warto na zakoÒczenie warto wspo-

mnieÊ chociaø o†tym jak moøe siÍ zaczynaÊ.

OtÛø HP 54645D wyposaøono w†rozbudowany

system wyzwalania. ZarÛwno standardowe wy-

zwalanie zboczem, ale rÛwnieø impulsem (do-

stÍpne operatory "<", ">" lub impuls o†d³ugoúci

mieszcz¹cej siÍ w†zadanym przez operatora

zakresie), wzorem cyfrowym (z dostÍpnymi

operatorami logicznej sumy, iloczynu, impli-

kacji; wejúcia, wyjúcia i†zadanego czasu utrzy-

mania siÍ wzoru cyfrowego), sygna³em TV, jak

rÛwnieø 50Hz (ìlineî).

(ta)

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: