На протяжении многих десятилетий осциллограф был необходимым инструментом при ведении исследований и проектировании устройств, обеспечивая неиссякаемый поток нововведений во многих отраслях. Одной из основных характеристик осциллографа является длина памяти - количество точек выборки, преобразуемых осциллографом в цифровую форму и сохраняемых в течение одного цикла регистрации.
Чем больше длина памяти, тем больше время, в течение которого осциллограф может фиксировать сигнал с высоким разрешением по времени (с высокой частотой дискретизации). Первые цифровые осциллографы могли регистрировать и хранить всего 500 точек, что серьезно затрудняло сбор всей необходимой информации об исследуемом событии. Разработчики постоянно сталкивались с проблемой выбора - регистрировать сигнал в течение длительного периода времени с низким разрешением или в течение короткого периода времени с высоким разрешением, тогда как необходимо было выполнить оба условия: зарегистрировать сигнал за длительный период времени с высоким разрешением.
Со временем технология развивалась, и скорость, удобство и стоимость преобразования сигнала в цифровую форму с более высоким разрешением становились более приемлемыми. Однако в то же время возросли скорости тактового сигнала, топология шин эволюционировала через параллельные устройства с более широкими и быстрыми импульсами, а также переход к последовательным шинам, системы в целом стали существенно более сложными. В этих условиях требования разработчиков к приборам с увеличенной длиной памяти и высоким разрешением продолжали расти так же быстро (или даже быстрее), как возможности увеличения продолжительности записи, которыми располагали производители осциллографов. И эта тенденция будет сохраняться. Закон /ура "заставляет" электронику развиваться ускоренными темпами, системы становятся все более сложными, а, следовательно, усложняется их проектирование, производство, устранение неполадок и ремонт в случае поломки. 1ак это отражается на современных осциллографах? Поскольку устройства становятся более быстродействующими и сложными, растут требования к длине памяти, полосе пропускания и частоте дискретизации. Взаимосвязь между этими основными характеристиками не очень сложна.
Чем шире полоса пропускания, тем больше - приблизительно в пять раз - должна быть частота дискретизации для точной регистрации высокочастотных составляющих сигнала. Чем выше частота дискретизации, тем больше точек выборки должно использоваться при регистрации сигнала в заданном временном интервале. Например, для регистрации в течение 2 мс сигнала с частотой 100 /4ц со скоростью дискретизации 5 Гвыб/с требуется записать 10 млн точек. (Разделите 2 мс на интервал дискретизации 200 пс.) даже при более низких частотах существует множество случаев, когда требуется продолжительная запись сигнала. 7ля регистрации всего одного кадра видео в формате NTSC (два поля с интервалом 1/30 с, 100 /выб/с для получения всей информации о яркости) требуется более 3 млн точек (33 мс разделить на 10 нс). 7ля обеспечения подходящего разрешения при регистрации нескольких секунд трафика шины CAN со скоростью передачи данных 1 /9/с с целью диагностирования проблем в электромеханической системе может потребоваться 10 млн точек. 7ля этих и множества других случаев была и остается необходимость использования более продолжительных интервалов регистрации данных с более плотной выборкой.
Как уже отмечалось выше, длина памяти первых цифровых осциллографов была очень небольшой. При этом просмотреть все зарегистрированные осциллографом данные о сигнале было просто, поскольку они помещались на одном экране. 1огда записи стали более длинными, для просмотра всех данных использовалась прокрутка по горизонтали. Это не представляло больших трудностей, поскольку происходил переход от одного экрана данных к двум, затем к четырем, восьми, двадцати и т. д. Однако с каждым новым поколением осциллографов длина памяти все увеличивалась, и на просмотр всех этих данных требовалось все больше и больше времени. + настоящее время приходится иметь дело с записями длиной в миллионы точек - это тысячи экранов важной информации о сигнале. Представьте себе попытку найти необходимую информацию в Интернете без помощи средства поиска, веб-обозревателя или закладок. Это похоже на поиск иголки в стоге сена. 7о настоящего времени именно с такой проблемой сталкивались пользователи осциллографов с большой длиной памяти. Очевидно, что старые решения уже не помогут.
Рис. 1. DPO4000 Series Wave Inspector предоставляет специальные элементы управления на передней панели, предназначенные для эффективного анализа осциллограмм.
Wave Inspector
Элементы управления Wave Inspector в осциллографах серии DPO4000 позволяют сделать процесс работы с длинными записями и извлечения из осциллограмм необходимой информации простым и эффективным.
Масштаб и просмотр
В большинстве современных осциллографов, представленных на рынке, в той или иной форме реализована возможность масштабирования. Однако зачастую элементы управления, относящиеся к просмотру осциллограммы в увеличенном масштабе (коэффициент масштабирования и положение), расположены в трудно доступных местах или затерялись среди других элементов управления, расположенных на передней панели. Например, положением окна масштабирования по горизонтали обычно можно управлять с помощью ручки положения по горизонтали, которая расположена на передней панели. После увеличения масштаба интересующего события, если требуется переместить окно масштабирования в другую точку на осциллограмме, обычно требуется повернуть ручку положения по горизонтали бесконечное число раз, чтобы медленно переместить окно в новое положение, или вернуться к исходному масштабу, настроить положение окна масштабирования, а затем повторно увеличить масштаб. Ни один из этих подходов не является ни эффективным, ни интуитивно понятным. Они становятся еще менее эффективными, когда для доступа к основным элементам управления масштабированием требуется просматривать многочисленные вложенные пункты меню.
Wave Inspector предоставляет специальный двухрядный элемент управления "масштаб/просмотра" на передней панели для эффективного просмотра осциллограмм.
Внутренняя ручка предназначена для управления коэффициентом масштабирования. Чем сильнее повернуть ее по часовой стрелке, тем больше будет увеличение. При повороте ручки против часовой стрелки коэффициент масштабирования уменьшается, и в конечном итоге масштабирование выключается.
На рис. 1А представлено исследование шины I2C. Весь записанный сигнал отображается в верхнем окне, а увеличенный фрагмент - в нижнем, более крупном окне. В этом случае масштабирование применялось для просмотра расшифрованных значений адреса и данных для двух пакетов.
Рис. 1 A. Wave Inspector предоставляет специальные элементы управления масштабированием и панорамированием, расположенные на передней панели.
Внешнее кольцо используется для перемещения окна масштабирования по осциллограмме, этот элемент управления является чувствительным к силе воздействия (степени поворота). При повороте по часовой стрелке окно масштабирования перемещается по осциллограмме вправо, а при повороте против часовой стрелки - влево. Чем сильнее его повернуть, тем быстрее окно масштабирования перемещается по осциллограмме. На рис. 2 показано, как быстро переходить от одного пакета к следующему, просто повернув элемент управления панорамированием в соответствующем направлении. 7аже при просмотре записи сигнала, состоящей из 10 млн точек, можно быстро перемещать окно лупы из одного конца записи в другой всего за пару секунд, не изменяя коэффициент масштабирования.
Рис. 2. Переход между участками длинной осциллограммы шины I2C.
Воспроизведение и пауза
Часто при отладке устройства причина неполадки неизвестна, поэтому разработчик не знает, на что обращать внимание в полученной осциллограмме. Однако он знает, что проблема содержится в зарегистрированном интервале, и теперь ему требуется просмотреть зарегистрированные данные, чтобы постараться ее обнаружить. В большинстве современных осциллографов для этого требуется повернуть ручку положения по горизонтали бесконечное число раз для поиска подозрительных участков в полученных осциллограммах. Wave Inspector помогает и в решении такой задачи. Можно просто нажать кнопку воспроизведения на передней панели, чтобы окно лупы автоматически перемещалось по осциллограмме. Скорость и направление воспроизведения задаются с помощью интуитивно понятных операций с ручкой панорамирования. Чем сильнее повернуто кольцо панорамирования, тем быстрее перемещается осциллограмма. 9лагодаря этому воспроизведение выполняется без участия пользователя, который может сосредоточиться на том, что действительно важно - на просмотре самой осциллограммы. В примере с шиной I2C (рис. 2) можно настроить воспроизведение осциллограммы во время просмотра расшифрованных значений адреса и данных для отслеживания работы шины. 1огда интересующее событие обнаружено, для того чтобы осциллограмма остановилась, достаточно повторно нажать кнопку "воспроизведение/пауза".
Рис. 2А. Специальные элементы управления на передней панели для автоматического воспроизведения осциллограммы. Воспроизведение/пауза
Метки
В процессе поиска источника неполадки может быть найдено множество областей осциллограммы, которые требуют дальнейшего исследования или отражают какие-то процессы в тестируемом устройстве и могут использоваться в качестве опорных точек при последующем анализе. Предположим, требуется измерить временные параметры, связанные с запаздыванием между моментом, когда водитель нажимает переключатель, предназначенный для открывания окна со стороны пассажира, на панели, расположенной на водительской двери, и моментом, когда окно действительно начинает открываться. Первое событие, которое потребуется найти, - нажатие переключателя. Следующее важное событие - когда модуль CAN на двери водителя отправляет команду модулю CAN на двери пассажира. Последним важным событием может быть включение моторчика на двери, расположенной со стороны пассажира, и начало движения окна. Не правда ли было бы удобно отметить эти события на осциллограмме, чтобы быстро переходить от одного важного участка к другому для измерения временных параметров? При использовании осциллографа серии DPO4000 это возможно.
Впримере, представленном на рис. 3, через канал 1 передается выходной сигнал переключателя, расположенного на двери водителя, через канал 2 - сигнал с шины CAN, а через канал 3 - сигнал моторчика на двери пассажира.
Рис. 2Б. Специальные элементы управления на передней панели для установки и сброса меток и перехода между ними. Установить/сбросить метки
Рис. 3. Размещение меток на осциллограмме для измерения времени запаздывания для шины CAN.
Осциллограф настроен для синхронизации по интересующему пакету, указаны соответствующие идентификатор и данные. атем мы использовали расположенную на передней панели кнопку "Установить/сбросить метку" для того, чтобы отметить каждое интересующее событие на осциллограмме. Эти пользовательские метки отображаются в виде закрашенных белых треугольников, расположенных вдоль верхнего края верхнего и нижнего окон. Нарастающий фронт в канале 1 отражает нажатие переключателя.
Событие синхронизации - отправка команды модулем CAN на водительской двери, начало движения окна - переходный процесс в канале 3. Используя кнопки "Предыдущая" и "Следующая" на передней панели, можно мгновенно переходить от одной метки к другой, чтобы поместить курсоры для быстрого и удобного измерения времени запаздывания. На рис. 3 мы видим, что суммарное время, прошедшее от нажатия переключателя до начала движения окна, составляет 58,8 мс, что вполне допустимо.
В дополнение к возможности размещения меток на осциллограмме вручную Wave Inspector позволяет выполнять поиск по всем зарегистрированным данным и автоматически отмечать все события, отвечающие заданным признакам. Например представьте, что выполняется регистрация лазерных импульсов. Eазерные импульсы следуют с периодичностью 20 мкс, длительность каждого импульса составляет всего 15 нс. Fребуется просмотреть несколько импульсов, чтобы определить их форму и точно измерить временные параметры, но для перехода к следующему импульсу приходится просмотреть около 20 мкс, относящихся к паузе между импульсами . атем требуется повторить эти действия для каждого зарегистрированного импульса. Gстественно, удобно было бы переходить от одного импульса к другому мгновенно, не тратя время на вращение ручки, регулирующей положение по горизонтали.
Рис. ЗА. Эффективные возможности поиска, реализованные в Wave Inspector, позволяют найти в зарегистрированном сигнале все события, отвечающие заданным признакам.
Рис. 4. Осциллограф DPO4000 отмечает каждый импульс в длинной памяти, пересекающий пороговое значение 300 мВ.
Можно настроить достаточно простую операцию поиска нарастающих фронтов, пересекающих пороговое значение 300 мВ, как показано на рис. 4. /етки, сгенерированные в процессе поиска, отображаются в виде незакрашенных треугольников, расположенных вдоль верхнего края верхнего и нижнего окон. В результате поиска на осциллограмме было размещено 105 меток. Fеперь для перехода от одного импульса к другому достаточно нажимать расположенные на передней панели кнопки перехода к следующей и предыдущей меткам, никакой настройки положения или коэффициента масштабирования не требуется!
Рис. 5. в результате поиска случаев нарушения времени установки и удержания найдено шесть событий.
Функция поиска Wave Inspector не ограничивается простым поиском фронтов. Представьте, что микросхема, с которой вы работаете, выдает странный выходной сигнал так часто, что нарушается работа системы в целом. Возможно, такая метастабильность вызвана нарушениями времени установки и удержания. а несколько секунд можно задать критерии поиска, чтобы автоматически найти все фрагменты осциллограммы, где были нарушены заданные значения времени установки и удержания. В данном случае опубликованные значения времени установки и удержания для используемого элемента равны 12 нс и 6 нс соответственно. Чтобы с помощью осциллографа выполнить автоматический поиск случаев нарушения этих пороговых значений, достаточно передать тактовый сигнал в канал 1, данные - в канал 2, задать пороговые значения и ввести соответствующие значения времени установки и удержания. Затем осциллограф проверяет временные параметры относительно фронта синхроимпульсов для всей осциллограммы и отмечает случаи нарушения заданных значений времени установки и удержания. На рис. 5 показано шесть случаев нарушения. Эти шесть событий отмечены в верхнем окне незакрашенными белыми треугольниками. В нижнем окне представлено одно их этих событий в увеличенном масштабе. Ясно, что узкий отрицательный импульс на линии данных нарушает время установки 12 нс.
Вы нашли источник метастабильности, не прибегая к прокрутке осциллограммы вручную и использованию курсоров для измерений. /ожно даже выполнять проверки наихудших случаев, настроив значения времени установки и удержания и просматривая, сколько событий найдет Wave Inspector.
Например, можно установить время удержания, равное нулю, а затем уменьшать время установки, пока не будет найдено только одно событие. Wave Inspector предоставляет еще одну эффективную возможность поиска - поиск по шине. Gсли установлены дополнительные модули DPO4EMBD и DPO4AUTO, можно использовать кнопки B1 и B2 передней панели для того, чтобы задать сочетание входных сигналов: последовательная шина I2C, SPI или CAN. После настройки синхронизация будет осуществляться по заданному пользователем содержимому пакета, и осциллограф будет расшифровывать каждый пакет и отображать его значения в шестнадцатеричном или двоичном формате.
Рис. 6. Поиск особых значений идентификатора и данных в сообщениях шины CAN.
Несмотря на то, что такая синхронизация критически важна для поиска временного интервала, содержащего данные о проблеме, для того чтобы понять, что происходит на уровне системы, вам, вероятно, потребуется понаблюдать за поведением шины во время прохождения нескольких пакетов. Функция поиска по шине позволяет указать критерий для уровня пакета и отмечать все удовлетворяющие ему события в записи для быстрого просмотра, перехода и анализа. Продолжим рассматривать описанный выше пример с шиной CAN. На рис. 6 представлены результаты поиска всех сообщений в длинной памяти для шины CAN, имеющих особые значения идентификатора (549) и данных (A1), которые представляют интерес.
Таблица 1. Поиск событий
| Тип поиска | Описание |
| По фронту | Поиск фронтов (нарастающих или нисходящих) с заданным пороговым уровнем. |
| По длительности импульса | Поиск положительных или отрицательных импульсов, ширина которых >, <, = или ? заданному значению. |
| По огибающей | Поиск положительных или отрицательных импульсов, пересекающих одно пороговое значение амплитуды, но не пересекающих второе пороговое значение до повторного пересечения первого. Поиск всех импульсов огибающей или только тех, длительность которых >, <, = или ? заданному значению. |
| По логическому сигналу | Поиск по логической модели (И, МЛМ, НЕ-И или НЕ-ИЛИ) по нескольким осциллограммам, для каждого из входов можно задать высокий или низкий уровень либо безразличное состояние. Поиск событий, когда функция принимает истинное или ложное значение или остается верной в течение периода времени, который >, <, = или ? заданному значению. 1роме того, можно определить один из входов как вход синхроимпульсов для синхронного поиска (данных состояния). |
| По установке/удержанию | Поиск нарушения заданных пользователем значений времени установки и удержания. |
| По времени нарастания/спада | Поиск нарастающих или нисходящих фронтов длительностью >, <, = или ? заданному значению. |
| По шине | I2C: "Старт", "Повторный старт", "Стоп", "Нет подтверждения", "Адрес", "Данные" и "Адрес и данные". SPI: "SS-активный", "MOSI", "MISO" и "MOSI и MISO" CAN: "Старт кадра", "Тип кадра" (данные, удаленный, ошибка, перегрузка), "Идентификатор" (стандартный или расширенный), "Данные", "Идентификатор и данные", "Конец кадра" и "Нет подтверждения". |
С помощью Wave Inspector в записи найдено четыре сообщения, удовлетворяющих данным критериям. Опять для перемещения окна лупы от одного события к другому достаточно нажатия кнопок "Предыдущая" и "Следующая" на передней панели. А поскольку осциллограф выполняет расшифровку пакета, можно мгновенно просмотреть все важные сведения, не занимаясь расшифровкой аналоговых осциллограмм вручную.
Кроме примеров, описанных выше, в осциллографах серии DPO4000 предусмотрена возможность поиска многих других видов событий. Полный список возможностей поиска представлен в таблице 1.
На данном этапе естественно задать вопрос: а что делать, если требуется выполнить поиск по другим критериям, не потеряв результаты (метки) первого поиска? Просто выберите пункт меню "Сохранить все метки", при этом все незакрашенные белые треугольники меток станут закрашенными и будут выглядеть так же, как метки, поставленные с помощью кнопки передней панели "Установить метку". Эти метки теперь сохранены в осциллограмме, и можно выполнить поиск по новым критериям. Fаким образом можно поступать столько раз, сколько необходимо, что обеспечивает неограниченные возможности поиска. 1онечно, если требуется начать "с чистого листа", можно нажать кнопку "Очистить все метки", чтобы удалить все метки с осциллограммы. 1роме того, можно удалить любую метку, нажав на передней панели кнопку "Установить/сбросить метку".
Поиск и синхронизация
В меню поиска имеется еще две эффективные возможности, позволяющие сэкономить время: копирование параметров синхронизации для поиска и копирование критериев поиска для синхронизации. 1опирование текущих параметров синхронизации в меню поиска особенно полезно, когда требуется определить, встречаются ли в записанных данных какие-либо другие случаи появления события синхронизации. А копирование критериев поиска в меню синхронизации приносит максимальную пользу, когда в данных найдено некоторое событие и необходимо получить новые данные, используя это событие в качестве условия синхронизации.
Рис. 7. Боковое меню поиска.
Современные цифровые осциллографы позволяют получать большой объем данных. Это может быть и преимуществом, и проблемой. +се эти данные необходимы, поэтому нужен осциллограф. Но до настоящего времени процесс "поиска важной иголки в стоге данных" занимал слишком много времени и часто приводил к разочарованию. Осциллографы серии DPO4000 с элементами управления Wave Inspector позволяют получать ответы на интересующие вопросы настолько эффективно, как можно было только мечтать.