Gyors jelbefogási képesség és rövid holtidő - két példa az R&S RTO-sorozatú digitális oszcilloszkópok számos kivételes képessége közül. Kiváló jellemzőiknek és gyors működési sebességüknek köszönhetően még az igen szórtan előforduló hibajeleket is képesek megtalálni, valamint megbízhatóan és gyorsan szolgáltatnak statisztikailag mérvadó eredményeket még összetett hullámformák vizsgálata esetén is

Holtidő - a digitális oszcilloszkópok Achilles-sarka
Az analóg oszcilloszkópot használók hozzászoktak, hogy a jel szinte minden részletét láthatják a képernyőn. A foszfor utánvilágítása a hullámalak természetes kitartását eredményezi, segítve a jelhibák gyors észlelését. Ezzel ellentétben a digitális oszcilloszkópoknak hosszú időre van szükségük a jelminták megjelenítéséhez, mivel igen sok adatot kell gyűjteniük és feldolgozniuk. A feldolgozáshoz szükséges idő alatt ideiglenesen "megvakulnak", nem képesek a jelet mérni, így akár a vizsgált berendezés hibáira utaló lényeges jelváltozásokat is elszalaszthatják.
Az oszcilloszkópok által feldolgozandó adatmennyiség ismeretében ez nem meglepő: egy 8 bit felbontású, 10 GHz-es mintavételi sebességgel működő A/D-átalakító folyamatosan 80 Gibit/s-os adatsebességet szolgáltat, az oszcilloszkópoknak pedig valós időben kell befogniuk és elmenteniük ezt az adatfolyamot (1. ábra). A műszeren belül eltárolt mintavételi értékeket a megjelenítést megelőzően fel is kell dolgozni, különféle mérési és elemzőfunkciókkal ki kell értékelni. Mindezek miatt elkerülhetetlen a holtidő, a - többek között kutató-fejlesztő laborokban is használt - digitális oszcilloszkópok technológiájának és jelfeldolgozási képességének töretlen fejlődése ellenére.

A 2. ábra egy tipikus jelbefogási ciklust szemléltet, amely egy aktív mintavételi szakaszból és a holtidőből áll. Az aktív mintavétel során az oszcilloszkóp begyűjti a felhasználó által beállított mennyiségű jelmintát, és beírja az adatgyűjtő memóriába. E mintavételi szakasz időtartama a minták számától és a kiválasztott mintavételi sebességtől függ. A holtidő - az adatok megjelenítéséhez és feldolgozásához szükséges idő - két részből, a rendszerarchitektúrából adódó állandó hosszúságú és egy változó időtartamú szakaszból tevődik össze. Ez utóbbit a mintavételi pontok mennyisége és a kiválasztott feldolgozási műveletekhez - például interpoláláshoz, matematikai műveletekhez vagy mérési és elemzőfunkciókhoz - szükséges számítások mennyisége határozza meg. A holtidőn belüli legutolsó lépésben az oszcilloszkóp kialakítja a jelalak grafikus formátumát, majd megjeleníti a képernyőn.

Az aktív mintavételi szakasz és a holtidő aránya a digitális oszcilloszkópok fontos jellemzője. A holtidő részarányaként vagy külön jelbefogási sebességként egyaránt megadható:

Például a 100 ns-os aktív mintavételi szakasszal rendelkező oszcilloszkópok (ami 10 GHz-es mintavételi sebesség mellett 1000 begyűjtött mintának felel meg) holtideje jellemzően 10 ms (2. ábra). Ez azt jelenti, hogy a teljes jelbefogási ciklus hossza 10,0001 ms, a holtidő-részarány 99,999%, a jelbefogási sebesség pedig 100 hullámalak másodpercenként. Mivel számos alkalmazás esetén ez az inaktív szakasz túl hosszú, a Rohde & Schwarz az R&SRTO-sorozatú oszcilloszkópjait olyan architektúrára alapozva fejlesztette ki, amellyel e holtidő minimalizálható.

Cél a nagy jelbefogási sebesség és a rövid holtidő

Ha ismertek a jelhibák paraméterei, a pontosabb elemzés érdekében beállíthatók a kifejezetten e jelhibákhoz illeszkedő indítási (trigger-) feltételek. Ellenkező esetben általános indítási kritériumokat kell alkalmazni (például élvezérelt triggerelés), és hosszabb időn keresztül kitartásos üzemmódban kell megjeleníteni a jelet (3. ábra).

Mivel a holtidő részaránya jellemzően nagyobb, mint 99%, csak ismétlődő jelhibák vizsgálatára van esélyünk. Minél hosszabb a mérési idő, annál nagyobb a valószínűsége, hogy egy esemény az aktív mintavételi szakaszban következzék be. A szükséges átlagos mérési idő statisztikai úton határozható meg. Egy jelhiba érzékelésének és megjelenítésének valószínűsége a jelbefogási sebességtől, a hiba gyakoriságától, az aktív mintavételi szakasz és a mérési idő hosszától függ:

ahol
P: egy jelhiba érzékelésének valószínűsége %-ban
Hibagyakoriság: egy hiba ismétlődésének gyakorisága 1/s-ban
T: az aktív mintavételi szakasz, illetve a megjelenített időablak hossza (a rögzített minták számának és a mintavételi sebességnek a hányadosa, vagy a rögzített minták számának és a felbontásnak a szorzata, vagy a vízszintes skálalépték tízszerese), s-ban
Jelbef. Seb.: Az oszcilloszkóp jelbefogási sebessége, jelszakasz/s-ban
t_mérési: a mérési vagy megfigyelési idő s-ban

A 4. ábrán a hibaészlelés valószínűsége látható különféle jelbefogási sebességek mellett, másodpercenként tízszer bekövetkező hibaesemény, 1000 mintavételi pont és 10 GHz-es mintavételi sebesség mellett.

Az alábbi egyenlet egy adott érzékelési valószínűség eléréséhez szükséges mérési idő hosszát adja meg:

Az 5. ábra a fenti példára vonatkozóan szemlélteti a különféle jelbefogási sebességek mellett szükséges mérési időket.

R&SRTO: egymillió jelszakasz másodpercenként

A nagy jelbefogási sebességgel rendelkező oszcilloszkópok - ilyen a Rohde & Schwarz által kifejlesztett R&SRTO-sorozatú család - előnye, hogy ritka eseményeket is képesek érzékelni (sok esetben ezek az igazán kritikus jelhibák). Emellett e műszerek gyorsan elemzik a hullámalakot is, például statisztikailag megbízható eredményeket szolgáltató hisztogramok vagy amplitúdó-maszk vizsgálatok formájában. Mindez annak köszönhető, hogy - a piacon jelenleg kapható többi oszcilloszkóppal ellentétben - az R&SRTO-sorozatú műszerek legtöbb mérési és elemző-funkciója egyetlen nagyintegráltságú ASIC-be van beépítve (6. ábra), amely több folyamat párhuzamos futtatására képes, jelentősen mérsékelve a holtidőt.

Az ASIC számos olyan funkcióval rendelkezik, amely az adatgyűjtés és a memóriában eltárolt jelalakminták elemzése során használt feldolgozási műveletekhez szükséges (7. ábra). Az ASIC adatgyűjtésért felelős blokkjának valós időben kell továbbítania az A/D-átalakítótól érkező adatokat az adatgyűjtési memóriába. E blokk új képességekkel is rendelkezik, többek között rugalmas szűrőbeállításokkal és egyszerű matematikai funkciókkal, mint összeadás, kivonás, invertálás. Mindezek mellett egyidejűleg akár három adatkiválasztó funkciót is képes futtatni (a lehetséges megjelenítési módok: minták közvetlen, csúcsérték-tartó vagy nagy felbontású ábrázolása, illetve hatásos értékmegjelenítés).
Az oszcilloszkóp számos funkcióját közvetlenül az ASIC jelfeldolgozó blokkjának céláramkörei látják el. Ide tartozik a jelalak-interpolálás, a különféle aritmetikai és matematikai műveletek, továbbá számos mérő és elemzőfunkció, mint például a kurzoros, hisztogramos és amplitúdó-maszk vizsgálatok. A különösen sokrétű képességekkel rendelkező ASIC nagy teljesítményű memóriavezérlőket, a világ első digitális triggerrendszerét és többféle grafikus vezérlőt is tartalmaz.
Az oszcilloszkóp példa nélküli, másodpercenként egymillió jelszakasz mintavételezését biztosító maximális jelbefogási képessége annak köszönhető, hogy az előbb említett számos funkciót egyetlen ASIC látja el. A 90 nm-es technológiával készült integrált áramkör 15 millió logikai kaput tartalmaz, 1295 kivezetéssel és 500 MHz-es órajellel rendelkezik.

Gyors működésmég aktivizált mérőfunkciók mellett is

Az R&SRTO-sorozatú oszcilloszkópok alapüzemmódjukban nagy jelbefogási sebességgel rendelkeznek, mindenféle korlátozás nélkül. A rövid holtidő biztosítása különösen a járulékos mérő- és elemzőfunkciók futtatása esetén fontos. Ha e műveleteket szoftver végezné el, a holtidő jóval hosszabb lenne, így sok időt venne igénybe a statisztikailag mérvadó eredményekhez szükséges megfelelő mennyiségű jelszakasz mintavételezése és feldolgozása. Az R&SRTO oszcilloszkópcsalád esetében minden ilyen jellegű korlát már a múlté. Az elemző-funkciókat céláramkörök látják el, amelyek képesek a különféle feladatok párhuzamosítására, ily módon még összetett elemzések esetén is nagy jelbefogási sebességet eredményeznek (8. ábra).
Mindezek például adatátviteli illesztők fizikai rétegének minőség-ellenőrzéséhez végzett amplitúdó-maszk méréseknél mutatkoznak meg szembetűnően. Annak érdekében, hogy az eredmények megbízhatók legyenek, sok mintavételezett jelszakaszt kell feldolgozni az ilyen jellegű vizsgálatoknál. A régebbi, másodpercenként kevesebb mint 100 jelszakaszt rögzítő oszcilloszkópoknak hosszú mérési időre van szükségük az amplitúdó-maszk vizsgálatok végrehajtásához. Az R&SRTO-sorozatú oszcilloszkópok ugyanakkor megőrzik kivételesen gyors jelbefogási sebességüket, mert az amplitúdó-maszk méréseket céláramkörökkel hajtják végre, így a határértékek túllépését gyorsan és megbízhatóan jelzik (9. ábra).

Összefoglalás
Minden digitális oszcilloszkóp rendelkezik holtidővel. Az R&SRTO-sorozatú oszcilloszkópok jelbefogási és jelfeldolgozási műveleteit azonban e holtidő minimalizálása érdekében céláramkörök hajtják végre. Ez az egyedi kialakítás jelentős előnyöket eredményez a hibák észlelése terén, továbbá még összetett elemzési műveletek esetén is statisztikailag megbízható mérési eredmények gyors begyűjtését teszi lehetővé.
Eddig részletezett erősségeik mellett újszerű digitális indító(trigger-) rendszerük, nagy mérési pontosságuk, kiszajú bemeneti fokozataik, egymagos, 10 GHz-es mintavételi frekvenciájú A/D-átalakítóiknak, továbbá intuitív felhasználói kezelőfelületüknek köszönhetően az R&SRTO-sorozatú oszcilloszkópok a kutató-fejlesztő laboratóriumok elengedhetetlen mérőeszközei.

A Rohde & Schwarz honlapja