A száraz számadatok összehasonlításának buktatói Sokan egyértelműnek vélik, hogy sok esetben léteznek mindent felülbíráló szempontok, hiszen sosem lehet egy autó elegendően keveset fogyasztó, vagy egy ház elég méretes. Ezzel analóg módon sok oszcilloszkópfelhasználó is úgy gondolkodik, hogy nincs az a csatornamemória, amelyet ne lehetne kihasználni. Ám, akárcsak az autó vagy a ház esetében (gondoljunk csak a jármű menetdinamikai jellemzőire vagy a ház rezsiköltségeire), az oszcilloszkópoknál is igen erős kompromisszumkészséget követel meg ez a hozzáállás. Cikkünkben kifejtjük, miért fontos paraméter az oszcilloszkópoknál a csatornamemória, milyen előnyei/hátrányai vannak az egyes műszerarchitektúráknak és mely technikákkal lehet a legjobban kihasználni a rendelkezésre álló memóriát

Miért fontos paraméter az oszcilloszkóp csatornamemóriája?

A csatornamemória minden korszerű digitális oszcilloszkóp szerves része. Az oszcilloszkóp mérési folyamata leegyszerűsítve úgy történik, hogy az analóg jel a műszer front-endjén keresztül egy analóg-digitális átalakítóra kerül, amelyben digitalizált alakot ölt. Az így keletkező digitális információt a memóriában el kell tárolni (ez a csatornamemória), majd feldolgozni és megjeleníteni. A csatornamemória közvetlenül összefügg a mintavételezési sebességgel: minél nagyobb, annál nagyobb lehet a műszer mintavételezési sebessége a hosszabb időn át végzett mérésnél. Minél nagyobb a mintavételezési sebesség, annál nagyobb az oszcilloszkóp effektív sávszélessége is (amely legfeljebb a front-end maximális sávszélessége lehet).

Ez egyértelműen azt jelentené, hogy minél nagyobb a memória, annál jobb az oszcilloszkóp? Elsőre úgy tűnhet, hogy igen, azonban hasonlítsunk össze két olyan oszcilloszkópot, amelyek a csatornamemóriát leszámítva minden paraméterben egyeznek! Legyen az egyik oszcilloszkóp egy 1 GHz sávszélességű, 5 GSa/s mintavételezési sebességű, 4 Mpont csatornamemóriával rendelkező („MegaZoom-architektúrás"), a másik pedig egy ugyanilyen, de 20 Mpont csatornamemóriás („CPU-architektúrás") műszer! A mintavételezési sebesség a csatornamemória és az időalap-beállítás hányadosaként kiszámítható, így például 160 µs/osztás beállításnál és 4 Mpont memóriánál a mintavételezési sebességre 2,5 GSa/s adódik (ha a műszerképernyő 10 osztásos). Az időalap-beállításokat és a hozzájuk kapcsolódó mintavételezési sebességeket összevető 1. táblázat szerint minél nagyobb a csatornamemória, annál nagyobb lesz a mintavételezési sebesség a kisebb időalap-beállításokat választva. A nagy mintavételezési sebesség lényeges, hiszen ez teszi lehetővé, hogy az oszcilloszkóp optimális teljesítménnyel működjön.

1. táblázat. Az időalap-beállítás és a mintavételezési sebesség kapcsolata

Az oszcilloszkóp-architektúrákról

A hullámforma-frissítési sebesség azt mutatja meg, hogy az oszcilloszkóp milyen gyorsan képes triggerelni, feldolgozni a felvett adatokat és megjeleníteni azokat a kijelzőjén. Minél nagyobb a műszer hullámforma-frissítési sebessége, annál rövidebbek a holtidők, így annál nagyobb a valószínűsége annak, hogy megtaláljuk a kis gyakorisággal előforduló anomáliákat a jelben (lásd 1. ábra).

1. ábra. Az oszcilloszkóp jelmérési és -feldolgozási idői

A nagy csatornamemória számos esetben komoly terhelést jelent a műszerre nézve, hiszen kihasználása nagyságrendekkel csökkenti a hullámforma-frissítési sebességet, így lényegében kizárólag a specifikációs adatlapokon mutat jól. A nagy csatornamemória előnye tehát nagyon gyorsan hátránnyá változhat, ha olyannyira lelassítja az oszcilloszkópot, hogy az hibakeresésre egyenesen alkalmatlanná válhat.

A gyors, 20 ns/div időalap-beállításnál mindkét oszcilloszkóp közel maximális frissítési sebességgel dolgozik, és egyik sem használja ki a teljes csatornamemóriát. Az időalapot 400 ns/div beállításra átállítva azt tapasztalhatjuk, hogy a MegaZoom-architektúrás oszcilloszkóp automatikusan maximálisra állítja a csatornamemória-kihasználtságot a legnagyobb mintavételezési sebesség szerint, így pontosan az elvárások szerint viselkedik. Ezzel szemben a CPU-architektúrás műszer továbbra is az alapértelmezett csatornamemóriát tölti fel a reakcióidő megtartására, és nem tartja a várakozásoknak megfelelő, magas szinten a mintavételezési sebességet. Ha a memóriakihasználást hozzáigazítjuk a magas mintavételezési sebességhez, rögtön feltűnik, hogy a nagyobb feltöltött csatornamemória és 5 GSa/s mintavételezési sebesség következtében a műszer hullámforma-frissítési sebessége kb. hatoda lesz a MegaZoom-os műszerének. A helyzet annál kedvezőtlenebb, minél lassabb az időalap-beállítás.

A jelenség legfőbb oka a műszer architektúrájában keresendő. Sok oszcilloszkópnál a központi feldolgozóegység (CPU) integrális része a műszer architektúrájának (lásd 2. ábra), olyannyira, hogy gátat szab a műszer adatfeldolgozási és -megjelenítési képességeinek. Ha a CPU nem elég erős ahhoz, hogy a nagy csatornamemóriában tárolt rengeteg adatot feldolgozza, megnő a feldolgozási és megjelenítési idő, ezáltal csökken a hullámforma-frissítési sebesség, ráadásul néha használhatatlanságot eredményezve.

2. ábra. A CPU-alapú oszcilloszkóp-architektúra felépítése

Természetesen létezik alternatív megközelítés architekturális szempontból, amelynek egyik útja egy olyan egyedi fejlesztésű, géporientált, architektúrába jól illeszkedő áramkör (ASIC) műszerbe építése, amely a felsorolt feladatoknál leveszi a terhet a CPU-ról. A 3. ábra az erre a célfeladatra fejlesztett, MegaZoom IV áramkörrel felszerelt Agilent InfiniiVision 4000 X-sorozatú oszcilloszkóp blokkdiagramját ábrázolja. A megoldás lényege, hogy minden körülmények között biztosítja a magas hullámforma-frissítési sebességet a csatornamemória lehető legjobb kihasználása és a mintavételezési sebesség maximumon tartása mellett.

3. ábra. MegaZoom IV-architektúrás oszcilloszkóp blokkdiagramja

Az architektúra és a memória annyira összefonódnak az oszcilloszkópokban, hogy bizonyos esetekben még az alacsony csatornamemória-feltöltés beállítása sem jelent megoldást. Az egyik ilyen az integrált logikaianalizátor-funkció bekapcsolása, amely olyan mértékű többletterhelést jelent egy CPU-architektúrás műszerre nézve, hogy a hullámforma-frissítési sebesség sosem megy másodpercenként jellemzően kb. 125 fölé. Ezzel szemben a MegaZoom-architektúrás műszereknél a logikai csatornák kezelése teljesen a rendszerbe integrált, az ezekhez kötődő jelfeldolgozást és -megjelenítést szintén az ASIC végzi, tehermentesítve a CPU-t. Hasonló a helyzet a sin(x)/x interpolációval is, amely bekapcsolására a MegaZoom IV immunis teljesítményromlás szempontjából. Az oszcilloszkópok reakcióideje tehát egészen más dimenziókban mozog a kétféle architektúrás rendszer esetében — a MegaZoom-architektúra javára.

Hogyan használjuk ki legjobban a csatornamemóriát?

Eddig a hibakeresésre jellemző alkalmazási esetet vizsgáltuk, de célszerű megnézni az egyszeri (ún. „single-shot") mérések esetét is. Gyakoriak lehetnek azok az esetek, amikor a jelünk olyan impulzusokból áll, amelyek megjelenése között jelentős a holtidő. Hagyományos, nagy csatornamemóriás oszcilloszkópnál a memóriát nemcsak az impulzusokkal, hanem a holtidőkkel is feltöltjük — meglehetősen pazarló módon. Az okos kihasználás jegyében az Agilent InfiniiVision X-sorozatú oszcilloszkópok a csatornamemóriát képesek szegmentált módon kezelni, amely lehetővé teszi, hogy csak azok a hullámforma-részletek kerüljenek digitalizálásra és eltárolásra a műszerben, amelyek valóban szolgáltatnak hasznos információkat a mérés során.

A 4. ábrán látható esetben a szegmentált memóriakezelés előnyei egyértelműek. Az ábra bal oldalán látható két RF-impulzust hosszú holtidő választja el egymástól. A hagyományos, nagy csatornamemóriás oszcilloszkópok mind az impulzusokkal, mind a holtidőkkel feltöltik a memóriát. Amint az ábráról leolvasható, a mintavételezési sebesség ebben az esetben mindössze 313 MSa/s, ráadásul csupán két impulzus mérése történik. Ha például 250 impulzust szeretnénk mérni, a mintavételezési sebesség 10 MSa/s-ra esne, amely következtében az impulzusok beazonosíthatatlanokká válnának az erős alul-mintavételezés miatt. Ha 250 impulzust mérnénk a megfelelő, 5 GSa/s mintavételezési sebességgel, akkor viszont nem kevesebb, mint 5 Gpont csatornamemóriára lenne szükség, amelyet egyetlen oszcilloszkóp sem biztosít.

4. ábra. RF-impulzusok mérése hosszú holtidővel (balra) és a szegmentált memóriával, a holtidők figyelmen kívül hagyásával (jobbra)

A szegmentált memória lehetővé teszi, hogy csupán az impulzusokat mérjük meg a holtidők figyelmen kívül hagyásával. A 4. ábra jobb oldalán látható RF-impulzussal a memória első szegmensét töltötte fel a műszer (az oszcilloszkóp időbélyeggel is ellátja az egyes szegmenseket). Az oszcilloszkóp lehetővé teszi az egyes szegmensek külön-külön történő, teljes körű analízisét, és vegyük észre, hogy a mintavételezési sebesség ezúttal az elvárt 5 GSa/s. A MegaZoom-architektúra és a szegmentált memóriakezelés kombinációjával gyors, rendkívül alacsony reakcióidejű oszcilloszkópot kapunk, amely bizonyos esetekben a legnagyobb csatornamemóriájú műszereket is megszégyenítő, hosszú hasznos idejű mérésekre képes.

Összefoglalás

Csábítóak lehetnek bizonyos műszerek adatlapjain szereplő, száraz számadatok, azonban tisztában kell lennünk azzal, hogy mi ezeknek a valódi használati értéke alkalmazásunkban. Bizonyos esetekben valóban megeshet, hogy a nagy csatornamemória a legjobb választás, de nagyon gyakran a memóriát okosan kihasználó, minden esetben alacsony reakcióidejű és nagy hullámforma-frissítési sebességű műszer az ideális. Ami az alkalmazásokat és a csatornamemóriát illeti, a világ legnagyobb műszergyártójaként az Agilent Technologies mindegyik vonalon képviselteti magát. Az InfiniiVision X-sorozatú oszcilloszkópok a MegaZoom IV-architektúra és a szegmentált memória feltétlen gyorsaságával és univerzalitásával hódítanak, az akár több száz megapont csatornamemóriát mindenképpen megkövetelő alkalmazásokra pedig több high-end műszer is szerepel a kínálatban az Infiniium-családból.

A MEDEXPERT Kft. honlapja