Az általában DCA3 besorolású, mintavételező oszcilloszkópoknál (digitális kommunikációs analizátorok) a sávszélesség rendszerint néhány tíz gigahertztől indul, és jellemzően nagy sebességű soros buszok, optikai eszközök és órajelek mérésére használják őket. A technológiák fejlődése révén a közelmúltban megfigyelhetővé vált, hogy a mintavételező és valósidejű oszcilloszkópok alkalmazási területei között átlapolódások alakultak ki, amelyek komplikálttá tehetik az egyes kategóriák közötti megkülönböztetést és a megfelelő műszer kiválasztását.
A digitalizálás alapelve a két oszcilloszkóp-alaptípusnál megegyezik: a bemeneti jel először a front-end jelkondicionáló áramkörön halad keresztül, majd digitalizálásra, memóriában letárolásra, végül pedig a kijelzőn megjelenítésre kerül. A digitalizálási alapelvek egyezőségével együtt a mögöttes mérési architektúra jelentős különbségeket mutat.
A valósidejű oszcilloszkópok
Hogyan is működik a valósidejű oszcilloszkóp? A műszer a triggerelés megvalósítása érdekében tartalmaz olyan célorientált áramköröket, amelyek lehetővé teszik a műszer felhasználója számára, hogy a mérés szempontjából fontos eseményeket (pl. egy felfutó él feszültségszintje, beállási és adattartási idők, jelmintázatok stb.) definiáljon. Ha az oszcilloszkóp triggeráramköre normál adatgyűjtési módban érzékeli a beállított eseményt, megkezdi az adatrögzítést és a szomszédos mintavételi pontok tárolását a triggerpont körül, majd frissíti a kijelzőt a rögzített adatokkal.
A valósidejű oszcilloszkópok működtethetők egyszeri vagy folyamatos triggerelési módban is. Első esetben az adatgyűjtésre kijelölt memória méretének megfelelő mennyiségben és a beállított mintavételezési sebességnek megfelelően egymást követő mintákat rögzít a műszer, majd megjeleníti őket összefüggő adathalmazként a kijelzőn. Miután a jelalak rögzítése megtörtént, a felhasználó szabadon pásztázhat rajta és közelíthet rá a számára érdekes részekre. Folyamatos triggerelési módban a műszer folyamatos adatgyűjtést végez, és vizuális formába önt minden olyan eseményt, amely kielégíti a triggerelési követelményeket. A változtatható és végtelen perzisztencia (utánvilágítás) lehetővé teszi, hogy az egymást követő jelmérések az eredeti jelre szuperponáltan kerüljenek megjelenítésre. A folyamatos triggerelési/mérési mód a bemérés alatt álló eszköz élő, folyamatos mérésére szolgál. Az olyan mérések és műveletek, mint felfutási idő, impulzusszélesség, matematikai számítások vagy FFT, elvégezhetők az egyszeres és folyamatos adatgyűjtés esetén is. A kb. 6 GHz sávszélesség alatti valósidejű oszcilloszkópok bemenete 1 MΩ és 50 Ω is lehet, amely sokféle mérőfej használatát támogatja.
A valósidejű oszcilloszkópok három legfontosabb paramétere a sávszélesség, a mintavételezési sebesség és memóriaméret. Ezek azonban közel sem adják meg az összes olyan jellemzőt, amelynek alapján az adott alkalmazásra a megfelelő műszer kiválasztható lenne. A nagy memóriával gazdálkodó oszcilloszkópok három legfontosabb előnye:
- minél nagyobb a memória, annál nagyobb az időablak, amely az adott mintavételezési sebesség mellett mérési adatokkal feltölthető (minél több minta rögzíthető egy adatgyűjtés során, annál nagyobb a valószínűsége egy ritka esemény megtalálásának),
- minél nagyobb a memória, annál nagyobb értéken tartható a mintavételezési sebesség kisebb időalapnál,
- minél nagyobb a memória, annál pontosabb statisztikai és matematikai számítási műveletvégzés lehetséges.
A mintavételező oszcilloszkópok
Hogyan működnek ezzel szemben a mintavételező oszcilloszkópok? Ezek a műszerek ismétlődő jelek rögzítésére, megjelenítésére és analizálására alkalmasak, és ehhez igazodnak a triggerelési képességei is. A mintavételező oszcilloszkóp időben nem szomszédos mintákat kezd rögzíteni, amikor „meglátja" az első triggerfeltételt. A műszer az első rögzítést követően késlelteti a triggerelési pontot, rögzíti a következő mintahalmazt, majd a műszer kijelzőjén az első mintahalmazzal együtt megjeleníti azokat.
Ez a folyamat addig ismétlődik, amíg az egymást követő mérések eredményeként a teljes hullámforma felépítésre és végtelen perzisztenciamódban megjelenítésre nem kerül.
A mintavételező oszcilloszkópnál kulcsfontosságú technológiai elem a trigger-interpoláció, amely a triggerelések közötti időbeli felbontást vezérli és ezzel a mérés pontosságát határozza meg. Ennél a műszerarchitektúránál a memória nagysága nem kulcskérdés, hiszen minden triggereseménynél csupán relatív kisszámú mintapont rögzítése történik meg. Hasonlóképpen, a mintavételezés sebessége sem döntő szempont. Ezzel szemben viszont nagy jelentősége van a két, egymást követő triggerfeltétel között eltelő idő pontosságának.
A mintavételező, kontra valósidejű oszcilloszkópok
A valósidejű oszcilloszkópok sávszélessége ma már a 60 GHz-et is meghaladhatja, a mintavételező oszcilloszkópoknál viszont a 90 GHz feletti frekvenciák is teljesíthetők. Pusztán a sávszélesség alapján a digitális kommunikációs alkalmazásoknál nem lehet már egyszerűen döntést hozni, így marad az ártényező. A nagyjából ugyanarra a feladatra alkalmas, 50 GHz-es mintavételező oszcilloszkóp bekerülési költsége kb. 110 ezer euró, míg egy ugyanilyen sávszélességű, ám valósidejű változat ára meghaladja a 285 ezer eurót is. A fejlesztés szempontjából nyilván döntő szempont az, hogy mennyire van szükség a valósidejű oszcilloszkópok nyújtotta rugalmasságra.
A zaj és jel/zaj viszony kérdése
A valósidejű és a mintavételező oszcilloszkópok közötti különbségek közel sem merülnek ki abban, mint arról eddig szó esett. A mintavételező oszcilloszkóp 14 bites A/D-átalakítóval rendelkezik, ezért az általa biztosított dinamikatartomány rendkívül széles, lehetővé teszi a néhány millivolt és több volt közötti mérést csillapítás nélkül is. Ennek folyománya, hogy a mintavételező oszcilloszkópoknál a különböző volt/osztás beállításoknál is nagyon alacsony a zajszint.
A valósidejű oszcilloszkópoknál a dinamikatartomány lényegesen szűkebb a 8 bites, effektív bitszám tekintetében 6 bit körül teljesítő bemeneti A/D-átalakító miatt. A korlátozottabb jel/zaj viszony okán csillapítók használata szükséges a néhány millivolt és több volt feszültségű jelek megjelenítéséhez. Ez azt jelenti, hogy a valósidejű oszcilloszkópoknál a zajszint magasabb, mint mintavételező társaiknál.
A mintavételező oszcilloszkópok eredendően alacsony zajszintje tette etalonná ezt a műszerkategóriát a tanúsított méréseknél. A közelmúltban történt fejlesztések alapján azonban megfigyelhető, hogy a valósidejű oszcilloszkópok egyre inkább felzárkóznak a mintavételezőkhöz a jelintegritás tekintetében.
Frekvenciaválasz
A mintavételező és valósidejű oszcilloszkópok között további választási szempontot jelent a két műszertípus frekvenciaválasza. A mintavételező oszcilloszkópok jellemzően nem alkalmaznak DSP-támogatású korrekciót, így a frekvenciaválaszuk jellegét tekintve lassú lecsengésű, formája alapján gaussi. A valósidejű oszcilloszkópok ezzel szemben rendszerint DSP-támogatással korrigálják frekvenciaválaszukat. Az Agilent csúcskategóriás, Infiniium 90000 Q-sorozatú valósidejű oszcilloszkópjainál a frekvenciaválasz a teljes átviteli frekvenciasávban lapos, így az erősítés mindig 1 dB-en belül marad.
A frekvenciaválasz jellege a valósidejű oszcilloszkópokon változhat. Néhány gyártó nem kevesebb, mint öt különféle jelleget definiál. Ha ugyanazon a jelen összehasonlítjuk a lapos és gaussi frekvenciaválaszt, azt tapasztalhatjuk, hogy lényegesen eltérő mérési eredményeket kapunk. A gaussi lecsengés például szimbólumközti áthallást okozhat, a lapos, gyors lecsengésű frekvenciaválasz pedig gyors jel esetén okozhat oszcillációszerű problémákat. Mindkét esetben tisztában kell lenni azzal, hogy a hardver milyen hatással van a mérésekre.
1. ábra. A mintavételező oszcilloszkópok a valósidejű társaikhoz hasonlóan képesek szemdiagramok és -hisztogramok megjelenítésére és jittermérésekre. A nagyobb sávszélesség, modularitás és kisebb költségek gyártási környezetbe a mintavételező oszcilloszkópokat megfelelőbb választássá teszikKülönbségek az órajel visszanyerésében
Az oszcilloszkópos mérések kulcseleme az órajel visszanyerése, amely lehetővé teszi valósidejű szemdiagram felvételét, maszktesztelést és a jitterek különválasztását. A visszanyert órajel valójában egy referencia-órajel, amelyet a mérések összehasonlításához használunk. Nemrég a mintavételező oszcilloszkópok még tisztán hardverre támaszkodtak az órajel visszanyeréséhez, és akár maga a műszer 10 MHz-es referenciáját, akár külső órajelet használtak, a hibaérzékenység mindkét esetben adott volt. Az Agilent Technologies egyik újítása a szoftveralapú órajel-visszanyerési mechanizmus, amely kiváló pontosságot kínál a hardveralapú megközelítés hibaérzékenysége nélkül. A valósidejű oszcilloszkópok szinte minden esetben szoftveres órajel-visszanyeréssel működnek, fenntartva a külső órajel bevezetésének lehetőségét.
A hardveres és szoftveres órajel-visszanyerési megközelítésen felül oda kell figyelni arra is, hogy milyen algoritmus kerül felhasználásra. A mintavételező oszcilloszkópoknál jellemzően jitterátviteli függvényről (JTF4), a valósidejű műszereknél megfigyelt JTF-ről (OJTF5) beszélhetünk. Az OJTF-ről elmondható, hogy a JTF-hez képest több kisfrekvenciás jittert vág le, amely azt jelenti, hogy a valósidejű oszcilloszkópon lényegesen kisebb jitterszámokat láthatunk, mint a mintavételező műszereken. A legújabb műszereknél kiválasztható az átviteli függvény, így azonosakat választva egyszerűbbé tehető a jittermérési eredmények összehasonlítása.
2. ábra. A valósidejű oszcilloszkópoknál ma már elérhető a 63 GHz-es sávszélesség is, a hasonló jittermérési lehetőségek alapján egyre inkább elmosódnak a határok a mintavételező és valósidejű oszcilloszkópok közöttMikor válasszunk valósidejű és mikor mintavételező oszcilloszkópot?
Sávszélesség és intrinsic jitter tekintetében korábban egy nagyságrendnyi különbség volt a mintavételező oszcilloszkópok javára, az elmúlt időszakban azonban a valósidejű oszcilloszkópok jelentősen felzárkóztak ilyen tekintetben, így nagy sebességű adóvevőknél már nem olyan egyértelmű a választás a két műszertípus között, mint korábban. A mintavételező oszcilloszkópnál az intrinsic jitter még mindig alacsonyabb és nagyobb a műszer dinamikatartománya, így szabályozott környezetben valószínűleg ez az ideális választás. Feltételezve, hogy a vizsgált jelek periodikusak vagy valósidejű szemdiagrammal bemérhetők, a mintavételező oszcilloszkóp megfelelő választás.
A valósidejű oszcilloszkóp legfőbb vonzereje a rugalmassága. Ha a mérési feladat hibakeresés, és nehezen megtalálható eseményekre kell triggerelni, a valósidejű oszcilloszkóp jó választás. Esetükben számtalan megfelelőségtesztelési, protokolldekódolási és adatelemzési bővítményből lehet választani, a jittermérés pedig egyszeres méréseken is lehetséges, így hibaok-felderítésre ezek az eszközök kiválóan alkalmasak. A szabványimplementációs mérési módszerek az adóvevők tesztelésénél valósidejű oszcilloszkópokra hagyatkoznak, amelyek előírják egy ilyen műszer használatát a szabványnak való megfelelőség ellenőrzésére.
Összegzés
A legtöbb alkalmazáshoz a valósidejű oszcilloszkóp ideális választás: ezek a műszerek különféle sávszélességű változatokban érhetők el, képesek egyszeri triggereseményre és folyamatosan is mérni, és nagyfrekvenciás jitter- és adóvevő-mérésnél az utóbbi években szorosan felzárkóztak a mintavételező társaikhoz. Ha az alkalmazásnál a periodikus jelek adottak, és kifejezett igény van a kis jittertartalmú és nagy dinamikatartományú mérésre, a mintavételező oszcilloszkóp lehet a megfelelő választás.
E műszerek mellett szól az alacsonyabb kezdeti költség és modularitás is, amely jóvoltából a műszer az adott elektromos és optikai gyártási tesztekhez igazítható. Ha 20 GHz feletti frekvenciára kell megoldást találni és nem egyértelmű a választás, ajánlott felvenni a kapcsolatot a mindkét műszertípust forgalmazó gyártói képviselettel.
A legdinamikusabban bővülő oszcilloszkóp-portfólióval büszkélkedő Agilent Technologies az oszcilloszkópgyártásban több évtizedes tapasztalattal rendelkezik, kínálatában a legegyszerűbb, 50 MHz-estől a 63 GHz-es valósidejű változatokon át az elektromos és optikai modulokkal is felvértezhető, mintavételező műszerig számos megoldás megtalálható.
1: Digital Storage Oscilloscope
2: Mixed-Signal Oscilloscope
3: Digital Communication Analyzer
4: Jitter Transfer Function
5: Observed Jitter Transfer Function
