Лаборатория высшего (HiFi) уровня

January 21, 2012 by admin Комментировать »

Лаборатория высшего уровня (класса), или, как сейчас принято говорить, HiFi или даже Hi End класса, нужна для серьезной профессиональной деятельности. Это исследования в области физики высокоскоростных явлений, разработка современной телекоммуникационной аппаратуры с высокой пропускной способностью и т. д. Наивно полагать, что такую лабораторию можно создать за несколько тысяч долларов — на самом деле даже минимальные затраты будут на пару порядков выше.

Генератор произвольных сигналов и цифровой осциллограф по-прежнему являются основными приборами и для лаборатории высшего уровня. Однако требования к ним куда жестче, чем предъявляемые к приборам лаборатории среднего уровня. И здесь на первом месте снова приборы корпораций Tektronix, Agilent Technologies, ROHDE&SCHWARZ и LeCroy, хотя есть и ряд других фирм, достойно представляющих измерительные приборы высокого класса.

Прежде всего, надо учитывать, что универсальных генераторов сигналов различной формы на диапазон частот до десятков ГГц пока нет. Наиболее интересными в классе серийных универсальных генераторов являются генераторы сигналов произвольной формы серии AWG7000 корпорации Tektronix. Приборы способны генерировать сигналы самой разнообразной формы с частотой повторения до 5,8 ГГц и передавать многоуровневые сигналы со скоростью до 10 Гбит/с. Частота дискретизации у этих приборов достигает 20 ГГц, минимальное время нарастания сигналов 45 пс, разрешение по вертикали 10 бит. Длина оцифрованных сигналов достигает 32 400 000 точек, что позволяет формировать сложнейшие последовательности, применяемые ныне при исследовании и отладке современного коммуникационного оборудования. Идеология приборов и принципы работы с ними те же, что у приборов серии AFG3000.

Выбор осциллографов для современной лаборатории высшего класса весьма широк. Среди аналоговых осциллографов с полосой частот до 1 ГГц на нашем рынке нельзя не отметить особо уникальные приборы японской фирмы Iwatsu. Они под маркой АСК-8104/8064 (полосачастот 1/0,6 ГГц) реализуются фирмой "Элике" [126]. В приборах используется малоразмерная сканирующая электронно-лучевая трубка на приборе с зарядовой связью (ПЗС) и памятью на 6 осциллограмм, сигнал с которого поступает на плоский жидкостно-кристаллический индикатор. Скорость захвата осциллограмм у этих приборов уникальна — до 1 млн/с, скорость записи достигает 10 дел/нс. Другая серия приборов АСК-7074/7404/7304 (с полосой частот 470/400/300 МГц) выполнена на ультраяркой электронно-лучевой трубке обычной конструкции. Приборы имеют две развертки А и В, развертка В может быть задержанной (лупа времени).

Несмотря на бурное развитие цифровых осциллографов, аналоговые осциллографы все еще имеют некоторые принципиальные преимущества: доведение "живого" сигнала до индикатора без преобразований, высокое разрешение по вертикали (отсутствие эффектов квантования), высокая скорость захвата осциллограмм и др.

Однако основой HiFi или Hi End лаборатории в наше время является все же широкополосный и скоростной цифровой запоминающий осциллограф. У цифровых осциллографов высшего класса специалисты ценят не только полосу частот исследуемых сигналов, но и способность осциллографов хранить большие куски оцифрованных сигналов и возможности синхронизации и запуска по различным событиям. Немаловажное значение имеет и способность осциллографов представлять сигналы в специальном виде, например глазковых диаграмм, гистограмм, осциллограмм с различной градацией яркости и цвета и т. д. Само собой разумеется, что должно быть обеспечено подключение к ПК, как правило, через скоростной порт USB. Оно вполне естественно у цифровых осциллографов и, как правило, отсутствует у аналоговых осциллографов.

В таблице 5.2 представлены основные параметры современных осциллографов корпорации Tektronix и указан рекомендуемый для совместной работы с ними тип генератора сигналов.

Таблица 5.2. Основные параметры осциллографов корпорации Tektronix

и рекомендуемые генераторы для совместного применения с ними

Тип

Число

Дискретизация,

Верхняя

Длина записи,

Рекоменд.

осциллографа

каналов

Гвыб/с

частота, МГц

Мбайт

генератор

TDS1000/В

2

0,5; 1

40; 60; 100

2,5 Кбайт

AFG3000

TDS2000/B

2,4

1; 2

60; 100; 200

2,5 Кбайт

AFG3000

Тип

осциллографа

Число каналов

Дискретизация, Гвыб/с

Верхняя частота, МГц

Длина записи, Мбайт

Рекоменд. генератор

TDS3000B

2,4

1,25; 2,5; 5

100, 400,

200,300, 500

10 Кбайт

AFG3000 AWG5000

DP04000

2, 4

2,5; 5

350;

500;1000

10

AFG3000 AWG5000

MS04000

2+16d, 4+16d

2,5; 5

350;

500; 1000

10

AWG5000 AWG7000

TDS5000

4

5

350;

500;1000

8

AFG3000 AWG7000

DP07000

4

10; 20; 40

0,5; 1; 2.5 ГГц

40/200

AWG5000 AWG7000

DP070000

4

25

4; 6;

8 ГГц

10/100

AWG7000

DSA70000

4

25

4; 6;

8 ГГц

20/100

AWG7000

Из сравнительно недорогих и самых современных цифровых запоминающих осциллографов фирмы Tektronix можно отметить модели серии DPO-4000, имеющих вполне умеренные габариты и массу и, в тоже время, большой экран дисплея. Они выпускаются с полосой частот 0,35, 0,5 и 1 ГГц. Лишь младшая модель DPO-4032 двух- канальная, остальные четырехканальные. Приборы этой серии реализуют технологию цифрового фосфора, имитирующую свойство изменения яркости осциллограмм. Специальное фирменное устройство Wavelnspector открывает возможность просмотра и анализа малого участка осциллограмм, общая длина которых доходит до 10 млн точек в каждом канале. Приборы имеют 25 автоматических измерений, расширенные средства синхронизации, слот USB для сменных карт флэш-памяти и все необходимые средства для работы совместно с ПК.

Новейшая серия осциллографов MS04000 — это осциллографы смешанных сигналов (рис. 5.6). Они имеют все возможности приборов серии DP04000, поскольку выполнены на их основе, и сочетают это с возможностями 16-канального логического анализатора. Естественно, что это заметно расширяет области применения этих приборов. Осциллограммы, видные на экране осциллографа (рис. 5.5), иллюстрируют его способности в представлении множества сигналов различного типа.

Как логический анализатор осциллограф MS04000 имеет два режима сбора данных. В первом режиме 10 млн точек захватываются с частотой дискретизации 0,5 ГГц, что дает временное разрешение в 2 нс. Оно достаточно для тестирования большинства цифровых устройств, кроме особо скоростных. Второй режим основан на фирменной технологии MagniVu, ранее примененной в логических анализаторах компании Tektronix. В этом случае 10 000 точек захватываются с частотой дискретизации 16,5 ГГц, что соответствует временному разрешению в 60,6 пс. Это позволяет тестировать даже высокоскоростные цифровые и логические устройства и системы.

В каждом из режимов осуществляются различные виды синхронизации, в том числе по заданному событию. Сигналы можно просматривать в любое время, как в динамическом, так и статическом режимах. Осциллографы серии MSO можно использовать для проверки работы с логическими сигналами от генераторов AWG5000 и генераторов паттернов логических сигналов.

Рис. 5.6. Внешний вид осциллографов смешанных сигналов MS04000 фирмы Tektronix (1 — универсальная поворотная ручка, 2 — кнопки управления направлением, 3 — блок Wave Inspector, 4— порт USB, 5— кнопки дополнительных опций, ss6 — экран дисплея, 7 — порт логического анализатора, 8 — органы управления каналами вертикального отклонения, 9 — разъемы каналов вертикального отклонения, синхронизации и внешнего запуска)

Осциллографы серии TDS5000B (рис. 5.7) реализованы на основе платформы встроенного в них персонального компьютера со своим жестким диском и операционной системой Windows. На жесткий диск могут устанавливаться различные дополнительные программы, например, системы компьютерной математики Excel, Mathcad или MATLAB. Хотя эти весьма серьезные приборы выпускаются давно и их выпуск сокращается, по некоторым своим характеристикам они заметно превосходят приборы серий TDS1000B/2000B и даже DP04000.

В состав серии входит 5 приборов, основные параметры которых приведены в таблице 5.3. В настоящее время в серийном производстве остались приборы TDS5034B.

Таблица 5.3. Параметры цифровых осциллографов серии TDS5000 корпорации Tektronix

Модель

Число каналов

Полоса пропускания

Максимальная частота дискретизации в реальном масштабе времени

TDS5032B

2

350 МГц

5 Гвыб/с

TDS5034B

4

350 МГц

5 Гвыб/с

TDS5052B

2

500 МГц

5 Гвыб/с

Модель

Число

Полоса

Максимальная частота дискретизации

каналов

пропускания

в реальном масштабе времени

TDS5054B

4

500 МГц

5 Гвыб/с

TDS5104B

4

1 ГГц

5 Гвыб/с

Рис. 5.7. Внешний вид осциллографов с цифровым люминофором серии Tektronix TDS5000B

Масштаб по вертикали у всех приборов от 1 мВ/дел до 10 В/дел на высокоомом входе и до 1 В/дел на 50-омном входе, по горизонтали от 200 пс/дел до 40 с/дел. Приборы обеспечивают 13 видов синхронизации и 53 вида автоматических измерений (амплитудных, частотно-временных, статистических и др.). Частота дискретизации в 5 ГГц обеспечивает не менее 5 отсчетов на минимальной длительности перепадов или фронтов наблюдаемых импульсных сигналов. Цветной жидкостно-кристаллический дисплей имеет размер по диагонали 26,4 мм и разрешение 640×480 точек.

Главное, что отличает осциллографы серии TDS5000 от приборов более ранних серий, так это построение их на основе открытой платформы персонального компьютера с операционной системой Microsoft Windows 2000 Professional или Windows ME. Это бросается в глаза уже с первого взгляда на экран осциллографа (см. рис. 5.8), сверху которого расположено меню, выполненное в лучших традициях этих операционных систем и управляемое обычной компьютерной мышью или клавиатурой. Возможно также управление с использованием сенсорных свойств экрана.

Рис. 5.8. Вид экрана осциллографа TDS5000 (показаны осциллограммы с двух основных выходов генератора AFG3152 и выхода ТТЛ)

Заложенная в TDS5000 концепция реализуется в последующих сериях осциллографов 6000, 7000, 70000 и др. Цифровые осциллографы корпорации Tektronix DP07054/ 7104/7254 (рис. 5.9) с частотами исследуемых сигналов 0,3/1/2,5 ГГц имеет частоту дискретизации на всех каналах до 10, а на одном канале даже до 40 Гвыб/с, длина записи достигает 400 млн точек. Уникальные средства синхронизации Pinpoint обеспечивают практические неограниченные возможности запуска по любым событиям — более 1 400 вариантов синхронизации. Число автоматических измерений достигает 50, захват осциллограмм возможен со скоростью 250 000 осц/с.

Рис. 5.9. Внешний вид осциллографа DP07254со стороны передней панели

Осциллограммы, изображенные на экране рис. 5.9, иллюстрируют технику применения цифрового фосфора. При этом в центре экрана виден глюк — задний фронт случайного импульса. Рис. 5.10 детально представляет экран осциллографа при отображении выходных сигналов разной формы от генератора AFG3152. Кроме осциллограмм представлена панель с результатами автоматических измерений и панель установки выбранных режимов измерений.

Новейшая серия четырехканальных широкополосных осциллографов Tektronix DPO-70000 имеет существенно расширенный диапазон исследуемых частот — до 4, 6, 8, 13,5 и 20 ГГц. Чувствительность по вертикали от 1 мВ/дел до 10 В/дел, развертка по горизонтали от 20 пс/дел до 1000 с/дел. Приборы имеют джиггер (временную нестабильность фронтов импульсов) менее 1 пс, а минимум временного джиггера 425 фс (указаны среднеквадратичные значения — RMS). Осциллографы имеют огромный 30 см жидкокристаллический цветной дисплей с разрешением XGA Фактически их основой является персональный компьютер с операционной системой Windows ХР.

Диапазон частот широкополосных цифровых осциллографов реального времени доходит до 10—20 ГГц, а стробоскопических до 70—100 ГГц (приборы TDS8000B корпорации Tektronix и WaveExpert и SDA 100 G фирмы LeCroy). Обзор приборов этого класса дан в [6, 7]. Такие уникальные приборы используются для разработки сверхскоростных схем для микропроцессоров, уникального физического оборудования, исследования и тестирования телекоммуникационных скоростных устройств, современных интерфейсов связи компьютеров с периферийным оборудованием и др. устройств.

Рис. 5.10. Экран осциллографа DP07254

В лаборатории класса Hi End может оказаться весьма полезным и анализатор спектра высокого класса, хотя функции анализа спектра есть во всех современных цифровых осциллографах. Наиболее полное развитие методы спектрального анализа получили в современных анализаторах спектра реального времени и в анализаторах сигналов. Корпорация Tektronix, к примеру, выпускает ряд настольных анализаторов спектра реального времени, построенных на основе встроенного ПК. Например, это анализаторы спектра реального времени — серия RSA2200, RSA3408A и новейшая RSA6100A (рис. 5.11). Полоса обзора у них до 3 МГц (модель RSA2203A) и 8 ГГц (RSA2208A), объем памяти на каждый канал 512 Мбайт. Ширина полосы обзора у RSA3408Aot 0 Гц до 40 МГц.

Приборы имеют высокую стабильность частоты и малый уровень шумов. Они позволяют реализовать множество видов спектрального анализа, в том числе трехмерного "спектральная плотность-частота-время" и динамического. Возможность получения спектра нестационарного сигнала во временной области (называемого спектрограммами — рис. 5.12) особенно привлекательна, поскольку позволяет выявлять многие аномалии или особенности сигналов, которые невозможно обнаружить с помощью обычных осциллограмм.

Рис. 5.11. Внешний вид анализатора спектра реального времени

Приборы нового класса — анализаторы сигналов и источников сигналов предназначены для анализа сложных сигналов со многими типами модуляции в современном коммуникационном оборудовании. Обычно они объединяют несколько приборов для анализа фазовых шумов сигналов и быстрого анализа их спектров сигналов различными методами. Пожалуй, лидерство в их разработке и выпуске на рынок принадлежит корпорации Agilent Technologies, как и в выпуске осциллографов смешанных сигналов, которые предназначены для одновременного получения спектрограмм сигналов и диаграмм логического состояния цифровых устройств. 4-канальные анализаторы телекоммуникационных сигналов корпорации Tektronix DSA-70404/70604/70804 охватывают диапазон частот анализируемых сигналов 4—6—8 ГГц.

Уникальные анализаторы источников сигналов FSUP8/26/50 с диапазоном частот от 20 Гц до 8, 26,5 и 50 ГГц (с внешним смесителем до 110 ГГц) выпускает фирма Rohde&Schwarz. Приборы позволяют выделять мельчайшие детали спектра с разрешением, доходящим до 1 Гц. Минимальный уровень сигнала достигает -140 дБ.

Практически все современные измерительные приборы имеют средства связи с персональными компьютерами и программы для ввода в компьютер значений измеряемых параметров, осциллограмм и спектрограмм. Они могут обрабатываться с помощью систем компьютерной математики, что открывает огромные возможности в теоретическом анализе и экспериментальном исследовании сложных процессов.

Рис. 5.12. Вид экрана анализатора спектра реального времени RSA6100A с различными представлениями сигнала

Источник: Дьяконов В. П.  Генерация и генераторы сигналов / В. П. Дьяконов. — М. : ДМК Пресс, 2009. — 384 е., ил.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты