Дълбочина на паметта на осцилоскопа – когато е голяма, общност на Keysight
Концепцията за дълбочина на паметта на осцилоскопа често е подвеждаща. Всъщност много потребители дори не знаят каква е паметта на техния осцилоскоп. В тази статия ще обсъдим какво представлява паметта на осцилоскопа, защо е важна, както и предимствата и компромисите от използването на памет в различни архитектури на осцилоскопа. Читателите ще научат също, че не всички области на паметта са еднакви.
Каква е дълбочината на паметта на вашия настолен осцилоскоп? Трудно е да отговорите? Не се обезсърчавайте, повечето хора също не знаят това. Но вие сте сигурни, че колкото по-голяма е дълбочината на паметта, толкова по-добре, нали? Както при повечето неща, отговорът не е толкова прост, колкото изглежда.
Нека започнем, като се опитаме да разберем какво представлява паметта за заснемане на осцилоскоп и колко важен е този параметър. В най-простия случай аналогов сигнал се подава към входния етап и след това този сигнал се преобразува в цифрова форма в аналогово-цифров преобразувател. След дигитализиране данните трябва да бъдат съхранени в паметта, обработени и показани на екрана като осцилограма. Паметта на осцилоскопа е пряко свързана с честотата на дискретизация. Колкото по-голяма е паметта, толкова по-дълго може да се съхранява пробата при улавяне на сигнали за по-дълъг период от време. Колкото по-висока е честотата на дискретизация, толкова по-висока е ефективната честотна лента на осцилоскопа.
Както казахме преди, колкото по-дълбока е паметта на един осцилоскоп, толкова по-добър е той, нали? В идеалния случай отговорът би бил да. Но нека сравним два осцилоскопа с подобни спецификации, с изключение на количеството дълбочина на паметта. Единичен осцилоскоп с честотна лента 1 GHz, честота на дискретизация 5 GS/s и възможност за съхранение в паметтазаснемане на 4 000 000 проби (ще наречем това „Архитектура на MegaZoom“). Друг осцилоскоп осигурява честотна лента от 1 GHz, честота на дискретизация 5 GS/s и памет за събиране на проби от 20 000 000 (нека го наречем „CPU архитектура“). Таблица 1 изброява настройките за скорост на сканиране и честота на дискретизация. Има проста формула за изчисляване на необходимата честота на дискретизация за дадена честота на сканиране и дадено количество памет (за 10 разделения на екрана и без уловени сигнали извън екрана):
Дълбочина на паметта / ((зададена скорост на сканиране) * 10 деления) = честота на дискретизация (до максималната възможна скорост на дискретизация на ADC).
Например, със скорост на сканиране от 160 µs/div и максимална дълбочина на паметта от 4 000 000 проби, получаваме: 4 000 000 / ((160 µs/div * 10 деления) = 2,5 GS/s.
Таблица 1. Честота на дискретизация за два идентични осцилоскопа
с различна дълбочина на паметта при стандартни скорости на почистване.
От таблица 1 следва, че колкото по-голяма е дълбочината на паметта, толкова по-висока е честотата на дискретизация, тъй като скоростта на сканиране намалява - време / раздел. Поддържането на висока честота на дискретизация е важна характеристика за поддържане на най-добрата работа на осцилоскопа. Съвременните осцилоскопи предлагат широк диапазон от 5 GS/s дълбочини на паметта от 10 000 проби (10 kpts) до 2 000 000 000 (2 GSps).
Ясно е, че дълбоката памет е полезна, когато става дума за високи честоти на дискретизация, но кога не е предимство? Кога забавя осцилоскопа до такава степен, че вече не помага за решаване на проблеми при отстраняване на грешки в схеми? Дълбоката памет е голямо натоварване за системата. някоиосцилоскопите, които са конфигурирани за бързо придобиване на форма на вълната и високоскоростни актуализации на формата на вълната на екрана, продължават да реагират бързо на контрол; други осцилоскопи имат високи декларирани характеристики само на хартия, но в действителност не могат да се използват, тъй като при равни други условия скоростта на актуализиране им пада с няколко порядъка. Да се върнем към същите два осцилоскопа. При 20 ns/div (висока скорост на сканиране) и двата осцилоскопа осигуряват най-високите възможни скорости на обновяване. И нито един от осцилоскопите не използва цялата си памет, чиято стойност е посочена в листа с данни. Но какво се случва при по-бавни скорости на почистване, като например 400 ns/div? Осцилоскопът MegaZoom автоматично ще използва повече памет, за да запази възможно най-високата честота на дискретизация - осцилоскопът ще се държи, както бихте очаквали от инструмент с дълбока памет (той ще поддържа честота на дискретизация 5 GS/s и все още ще има бърза скорост на актуализиране). Базираният на процесора осцилоскоп все още ще използва същата дълбочина на паметта по подразбиране, за да избегне забавянето на времето за реакция на осцилоскопа за контрол и няма да може да поддържа същата висока честота на дискретизация, а скоростта на актуализиране може да е по-бавна. Какво се случва, ако коригираме дълбочината на паметта, за да поддържаме честотата на дискретизация висока? Започваме да забелязваме, че осцилоскопът, който не може да регулира дълбочината на паметта, има максимална честота на дискретизация (5 GS/s), а скоростта на актуализиране на формата на вълната на екрана е 1/3 от тази на осцилоскоп с MegaZoom. Освен това става още по-ниска за по-бавнискорости на сканиране (например при 4 µs/div, скоростта на обновяване на осцилоскоп MegaZoom е 20 пъти по-бърза от осцилоскоп, базиран на CPU).
Раздел. 2. Сравнение на скоростта на обновяване, честотата на дискретизация и дълбочината на паметта.
CPU базирана архитектура
И така, какво отличава един осцилоскоп, оптимизиран за дълбочина на паметта, от друг, който има фиксирана настройка за използване на паметта от 10 kpts, за да поддържа бърз контролен отговор? Това се дължи главно на архитектурата на осцилоскопа. Някои осцилоскопи използват централен процесор с общо предназначение („базирана на CPU архитектура“) и степента, в която той е адаптиран към дадена задача, определя колко бързо осцилоскопът може да обработва информация и да я показва на екрана. Ако процесорът не е в състояние да реши задачите за контрол на дълбочината на паметта при регистриране на уловените сигнали, тогава той ще забави процеса на обработка и показване на данни, като по този начин ще намали скоростта на актуализиране на сигнала (понякога значително). На фиг. 1 показва пример за такава архитектура.
Ориз. 1. Блокова диаграма на базиран на CPU осцилоскоп, показваща как CPU ограничава пълното придобиване на сигнали.
За щастие има и друг начин. Оптимизираните за дълбочина осцилоскопи използват специална IC, която елиминира необходимостта от CPU като част от архитектурата на осцилоскопа. Централният процесор оставен ли е в осцилоскопа? Разбира се, но сега се използва за периферна обработка на данни, което позволява на осцилоскопа да се съсредоточи върху това, за което е предназначен - показване на вълнови форми. На фиг. Фигура 2 показва пример за тази новаторска архитектура, използвана в осцилоскопите 3000 X-Series DSO на Keysight. Използват специализирани ИС(наречен MegaZoom IV), за да осигури високи честоти на опресняване при възможно най-високата дълбочина на паметта и честота на дискретизация.
Ориз. 2. Архитектура MegaZoom със специална IC, която контролира показването на сигнали от паметта за заснемане
Архитектурата на паметта и осцилоскопа са толкова преплетени, че има причини, поради които дълбочината на основната памет по подразбиране от 10 kpts не може да се поддържа. Например едно от най-добрите подобрения в осцилоскопите през последните 15 години е добавянето на цифрови канали, но не всички цифрови канали са еднакви. Включването на цифрови канали в базираната на CPU архитектура, която обсъдихме по-горе, всъщност ще доведе до толкова много забавяне на осцилоскопа, че скоростта на актуализиране никога няма да надвиши 135 вълнови форми в секунда, независимо от дълбочината на паметта или скоростта на почистване. Това е с няколко порядъка по-бавно от максималната скорост на актуализиране, посочена от производителя. Защо се случва това? Отново, това е свързано с архитектурата на осцилоскопа. Както се вижда от фиг. 1, цифровите канали на осцилоскоп със смесени сигнали (MSO) не се вписват добре в базирана на CPU архитектура, в която CPU играе основна роля в генерирането на изображението за сканиране. Може да се види, че в осцилоскопи с архитектура MegaZoom (фиг. 2), цифровите канали са неразделна част от специфичната за приложението IC, която извършва изобразяване на сигнала за всички канали. Архитектурата MegaZoom ви позволява да не забавяте осцилоскопа при свързване на цифрови канали. Други често срещани характеристики, като интерполация Sinx/x, също могат да забавят толкова много базирани на процесора инструменти, че ще видите катастрофален спад в скоростта на актуализиране при промяна на настройките.скорост на почистване в зависимост от това дали филтърът Sinx/x е активиран или деактивиран в осцилоскопа. Архитектурата MegaZoom не страда от този проблем.
Бавната реакция на осцилоскопа към контрол е друг недостатък на системите, базирани на процесора. Случвало ли ви се е да превключвате скоростта на сканиране на осцилоскоп с голяма дълбочина на паметта и да чакате да се установи? Или се опитвате да се върнете към предишната настройка само защото осцилоскопът реагира бавно и случайно сте превишили желаната стойност на параметъра? Това се дължи на факта, че процесорът няма време да обработи данните - същата причина причинява намаляване на скоростта на актуализиране и води до спад в скоростта на реакция на осцилоскопа към контрола.
Досега обсъдихме режимите, в които осцилоскопът работи и се използва, например, за отстраняване на грешки. Но ако просто искате да погледнете сигнала, уловен в един пробен цикъл, тогава повече памет отново е по-добре, нали? Не се нуждаете от бърза скорост на актуализиране, за да покажете тази форма на вълната, а реакцията на осцилоскопа към контрол трябва да бъде по-добра, отколкото когато непрекъснато улавя и показва. Отново, това привидно логично заключение всъщност е вярно в някои случаи. Но какво ще стане, ако обмисляте сигнал, който е пакети с данни с големи времеви интервали между тях (като радарни импулси или кадри/изригвания от серийна шина)? При осцилоскопи без оптимизация на дълбочината на паметта трябва да използвате всичко, което се съхранява в паметта за примери: както това, което е уловено по време на паузата между пакетите, така и самия пакет от данни. Това не е най-доброто използване на паметта, тъй като вероятно искате само пакети. Някои осцилоскопи имат функция, наречена "сегментирана" памет. сегментиранпаметта ви позволява да цифровизирате само частта от сигнала, от която се нуждаете, така че да можете да използвате паметта по-ефективно.
Нека да разгледаме пример, при който сегментираната памет може да осигури предимство. На фиг. 3 можете да видите два пакета радарни сигнали, разделени от дълга пауза. При осцилоскопи без оптимизация на дълбочината на паметта, както пакетите, така и сигналът между тях се цифровизират. Както е показано на фиг. 3, честотата на дискретизация на осцилоскопа (обикновено 5 GS/s) е само 625 MS/s – и това е за улавяне само на два импулса! Какво се случва, ако искаме да уловим 100 импулса? Честотата на вземане на проби ще падне до по-малко от 10 MSa/s и импулсите вече няма да бъдат идентифицирани, защото ще бъдат далеч извън пробата. Ако искаме да уловим тези 100 импулса и цялото време между тях при честота на дискретизация от 5 GS/s, имаме нужда от осцилоскоп с 2,5 GS/s (2 500 000 000) памет. Днес на пазара няма осцилоскопи с тази дълбочина на паметта. В случай на сегментирана памет е възможно да дигитализираме само областта, която ни интересува (самия пакет) и да игнорираме времето за пауза между пакетите. На фиг. 4 показва първия от 100 RF пакета, уловени с помощта на сегментирана памет. Обърнете внимание, че честотата на извадката е 5 GS/s и всеки сегмент има клеймо за време, така че да знаете кой момент във времето спрямо началния удар се разглежда. На фиг. 5 показва 100-ия пакет и неговия времеви печат (396.001 ms). Осцилоскопът ви позволява да се движитемежду сегменти и да ги анализирате (включително декодиране на пакетите във всеки сегмент, ако използвате сегментирана памет за анализ на сигнала на серийната шина).
Ориз. 4. Първият от 100 RF пакета, уловен с помощта на сегментирана памет. Имайте предвид, че честотата на дискретизация е 5 GS/s.
Ориз. 5. Последният 100-ти пакет, уловен с помощта на сегментирана памет. Обърнете внимание на честотата на дискретизация (5 GS/s) и времевия печат (396,001 ms).
В крайна сметка често трябва да се уверите, че високите характеристики, които производителят посочва в техническото описание на устройството, изобщо не са негово предимство. Въпреки че голямата памет за заснемане на листа с данни може да е изкушаваща, трябва да помислите как ще използвате осцилоскопа. В някои случаи най-дълбокият спомен наистина ще бъде най-добрият избор. Но в много случаи осцилоскоп, който оптимизира дълбочината на паметта, ще бъде най-добрият вариант и няма да ви разочарова със своята бавност или нестабилност.