Технология X-StreamТМ цифровых осциллографов LeCroy

X-Stream — ключевая технология цифровых осциллографов LeCroy. Технология потоковой обработки сигнала.

Технология X- Strem является уникальной разработкой компании LeCroy и используется во всех моделях осциллографов, выпускаемых данной компанией. Данная технология представляет собой совокупность аппаратной системы сбора информации о сигнале, обеспечивающей высокую достоверность отображения его параметров, и метода потоковой передачи данных. Такой симбиоз обеспечивает быстродействие, превышающее возможности предыдущих типов осциллографов, по захвату и обработке «длинных» записей, которые требуются для точных измерений сложных сигналов.

Работу технологии X-Stream можно рассмотреть на примере осциллографа WaveMaster. Изучаемый сигнал подается в осциллограф через входной байонетный разъем с полосой пропускания 18 ГГц. Затем он попадает на реле, которое переключает аттенюатор Х1 или Х10 в цепи прохождения сигнала.

При выключенном питании реле предусматривает подключении к входу нагрузочного сопротивления 50 Ом. Когда питание включено, сигнал через реле с полосой пропускания 12 ГГц поступает на SiGe усилитель. Этот высокоскоростной чип (полоса пропускания более 6 ГГц) разработан компанией LeCroy и изготовлен IBM. Он имеет три выхода. Один выход подключен к АЦП данного канала, другой – к АЦП соседнего канала (что позволяет совместно работать двум АЦП для увеличения частоты дискретизации в режиме объединения каналов). Третий выход идет на микросхему синхронизации. АЦП с полосой пропускания 6 ГГц и схема синхронизации (полоса пропускания более 5 ГГц) также являются разработкой LeCroy и произведены IBM.

После усилителя сигнал через симметричную линию связи подается на АЦП. Поскольку обычная линия разводки на компьютерных платах имеет полосу пропускания менее 5 ГГц, то используются специальные материалы с малой диэлектрической проницаемостью и потерями порядка 0,07 дБ на 1 см на частоте 10 ГГц.

АЦП представляет собой моночип с частотой дискретизации 10 ГГц, индивидуальный для каждого канала осциллографа, который оцифровывает входной сигнал с разрядностью 8 бит и временем между соседними отсчетами 100 пс. При использовании режима объединения двух каналов, 2 АЦП работают совместно, обеспечивая частоту дискретизации 20 ГГц.
Данные из каждого АЦП посылаются через 6 портов вывода, сгруппированных по парам, на 3 разработанных LeCroy высокоскоростных модуля памяти DRAM. Каждый чип принимает данные со скоростью 3,3333 Гбайт/с. Поскольку один отсчет АЦП равен 8 бит или 1 байт, то 3 чипа памяти принимают из АЦП 10 Гбайт данных в секунду. 

Высокоскоростная память DRAM является одним из ключевых моментов технологии X- Stream. В добавление к функции сохранения информации, чипы памяти имеют встроенный КМОП-процессор для некоторых дополнительных функций. До сохранения информации в памяти этот процессор обеспечивает: 

• процедуру «прореживания» данных для понижения частоты дискретизации;
• короткое межсегментное время (около 5 мкс) в режиме управления структурой памяти

Для чтения из памяти чип оснащен высокоскоростным доступом Ethernet 1 Гигабит, передающим данные в управляющий компьютер, а именно интерфейсную плату, находящуюся на шине PCI . Для поддержки «гигабитного» протокола в чипе памяти производится перекодировка данных в формате 8 бит – 10 бит в целях обеспечения синхронизации данных и повышения устойчивости линии передачи к внешним шумам/помехам. Один «гигабитный» доступ работает с двумя каналами. 

Процедура прореживания точек позволяет чипу памяти эмулировать понижение частоты дискретизации, что позволяет более оптимально использовать объем памяти при исследованиях «медленных» сигналов. Но в отличие от прежних моделей осциллографов, реальная частота дискретизации АЦП всегда остается равной 10 ГГц, что позволяет уменьшить джиттер прибора и увеличить точность измерения временных интервалов. 

Через интерфейсную плату данные поступают на шину PCI. При текущем уровне технологий скорость шины PCI является ограничением в технологии X- Stream. Максимальная скорость PCI-шины составляет 125 Мбайт/с. Хотя это намного быстрее, чем в предыдущих осциллографах, PCI-шина является самым «узким» местом X- Strem. К счастью, сейчас разработано достаточно много программных методов быстрой передачи данных по PCI, в том числе с использованием возможности масштабирования скорости передачи данных из «гигабита».

 

По PCI данные передаются в центральный процессор Pentium IV с тактовой частотой 2,8 ГГц (и более) производства Intel. LeCroy полностью написал программные коды для операционной системы WIN 2000, используемой в WaveMaster, в виде библиотеки более чем из 300 исполняемых объектов, оптимизированных для высокоскоростной обработки данных. Модульная программная архитектура позволяет WIN 2000 полностью интегрироваться во все процессы осциллографа: передачи данных, измерения, анализа, отображения на дисплее. А также позволяет пользователю создавать свои настройки или математические функции, и включать их в поток обработки еще до момента экспорта данных в другие программы. Такой уровень интеграции позволяет технологии X- Stream использовать мощные возможности центрального процессора по цифровой обработке сигнала. 

Предыдущие модели осциллографов использовали операционные системы WIN 95/98/ ME и процессоры Intel только для формирования графического пользовательского интерфейса, а передачей данных занимался специализированный, но не такой быстрый и мощный процессор.

При использовании предыдущих технологий даже простая задача измерения нескольких параметров импульса приводила к затратам значительных ресурсов системы. Это соответственно приводило к уменьшению скорости захвата сигнала и увеличению времени простоя между запусками системы синхронизации. 

В WaveMaster специалисты LeCroy изменили коды передачи данных для оптимизации пакетной передачи данных в кэш-память центрального процессора, поэтому технология X- Stream помогает ускорить обработку результатов. Для примера, если пользователь хочет вычесть канал 1 из канала 2 и затем проинтегрировать полученный результат, то WaveMaster посылает пакеты данных из каналов 1 и 2 в кэш-память, а инструкции по математическим операциям постоянно находятся в памяти. Это позволяет получать результат в 10-100 раз быстрее, чем при других технологиях. 

Преимущества будут не так заметны, если пользователь хочет просто увидеть сигнал. Если же пользователь хочет произвести измерения и анализ сложного сигнала, то преимущества от оптимизации использования кэш-памяти становятся значительными. Время, потраченное центральным процессором для анализа, будет гораздо меньше при использовании пакетной потоковой технологии X- Stream.

Так коротко можно описать основные принципы работы новой технологии X — Stream от компании LeCroy, применяемой во всех моделях осциллографов этой компании.

OWON XDS3064E осциллограф 4 х 60 МГц, память 40М, АЦП: 8 бит

XDS3064E OWON —  4-х канальный цифровой осциллограф, с полосой пропускания 60 МГц, скоростью выборки АЦП: 1 ГВ/с, и расширенным объёмом памяти 40 Мб, оснащен большим дисплеем 8” цветной LCD разрешение 1024 x 768.

 
Характерной особенностью осциллографа xDS3064Е является большой объём памяти — 40М точек, позволяет сохранить значительные временные отрезки сигнала для последующего анализа.

Захват осциллограмм на скорости 45 тыс. форм сигналов / сек. обеспечивает более вероятный захват непереодических, иллюзорных сигналов, а уровень собственных шумов позволяет реализовать усиление от 1 мВ/сек.

Опционально осциллограф xDS3064Е  оснащяется литий-ионной батареей, что не только делает осциллограф автономным, но и обеспечивает полную гальваническую развязку по питанию, что имеет ключевое значение при диагностике электронных устройств запитанных от одной сети.

Компания OWON оснащает (опционально) осцилографы xDS3064Е  аппаратными опциями: генератором AWG 50 МГц / 25 МГц (1 канал или 2 канала), мультиметром DMM,  WiFi-модулем, сенсорным дисплеем.

Декодирование сигналов на шинах I2C, SPI, RS232 и CAN (опционально).

Осциллограф xDS3064Е реализует математические функции:  сложение, вычитание, умножение, деление, Быстрое Преобразование Фурье, интегрирование, дифферинцирование, корень квадратный, цифровые фильтры (ФНЧ, ФВЧ. Режекторный Фильтр, Полосковый Фильтр)..

 

Основные отличия осциллографа OWON xDS3064Е:
• Полоса пропускания, количество каналов: 60 МГц х 4 канала + внешний вход синхронизации
• Скорость выборки: 1 ГВ/с х 1 канал, 500 МВ/с х 2 канала, разрешение: 8 бит
• Быстрое преобразование Фурье для анализа в частотной области (БПФ)
• Объем памяти: 40М точек х 1 канал /  20М точек х 2 канала
• Яркий цветной дисплей 8″ TFT WVGA, опционально – сенсорный

• Диапазон развёртки: 2 нс/дел – 1000 с/дел. , диапазон усиления: 1 мВ/дел – 10 В/дел.
• Быстрый захват осциллограмм: 45 тыс. форм сигналов / сек.
• Декодирование: I2C, SPI, RS232 и CAN (опционально).
• Опционально: AWG / DMM / WiFi  / Li-ion аккумулятор.

 

Детальные технические характеристики и руководство пользователя  XDS3064E  (.pdf) скачать >>

Краткие технические характеристики, брошюра  XDS3064E  (.pdf) скачать >

 

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ  цифрового осциллографа OWON XDS3064E:
• Полоса пропускания: 60 МГц, количество каналов: 4 + вход внешней синхронизации
• Скорость выборки, в реальном масштабе времени: 1 ГВ/с х 1 канал, 500 МВ/с х 2 канала, интермполяция: sin (x) / x
• Диапазон, временной развёртки: от 2 нс/дел. до 1000 с/дел., усиления: 1 мВ/дел – 10 В/дел.
• Разрешение: 8 бит х 1 ГВ/с 
• Диапазон: 8″ цветной, LCD, 1024 x 768  пикселей
• Входной импеданс: 1 МОм, 15 пФ
• Усиление по напряжению: 1 мВ/дел – 10 В/дел
• Максимальное входное напряжение: 300В (PK — PK) (DC+AC, PK — PK)
• Погрешность усиления напряжения по постоянному току: ±1%
• Длинна записи, объём памяти: 40 М точек
• DC Accuracy (average) Average ≥16：±(3% reading + 0. 05 div) for △V
• Коэффициент пересчёта напряжения: 0,001X- 1000X, пересчет напряжения в ток 
• Цифровые фильтры: низких частот, высоких частот, полосовой и режекторные фильтры
• Источник синхронизации: канал 1, канал 2, внешний вход, АС, АС/5
• Режим захвата: автоматический, нормальный, ждущий (единичный)
• Захват: по уровню, видео, параметры импульса,  наклон, рант, окно, Timeout, Nth Edge, логические условия, I2C, SPI, RS232, CAN с функцией декодирования
• Курсорные измерения: напряжение, время, △V, △T
• Автоматическое измерение: Vpp, Vavg, RMS, Frequency, Period, Vmax, Vmin, Vtop, Vbase, Width, Overshoot, Pre-shoot, Rise time, Fall time, +Width, -Width, +Duty, -Duty, Delay A→B , Delay A→B , area, cycle area
• Математические функции: ＋, －, ×, ÷, FFT, FFTrms, интеграция, дифференцирование, корень квадратный
• Сохранение: 100 форм сигналов
• Фигуры  Лисажу
• Интерфейс: USB host, USB device, LAN
• Питание: напряжение 100В — 240В AC, 50/60Hz, потребление 25 Вт
• Батарея: Li-ion, 13,2Ач 3,7 В (опция)
• Габариты: 340 (ширина) х 90 (глубина) х 177 (высота), масса: 2,6 кг.

 

 

Купить цифровой осциллограф OWON XDS3064E можете в нашем интернет магазине cityset.com.ua

 

Стандартная комплектация:
• Цифровой осциллограф XDS3064E OWON – 1 шт.  • Щупы осциллографические (1:1/1:10) – 1шт. • Кабель питания – 1шт. Кабель USB – 1 шт. • Программное обеспечение, руководство пользователя, CD-disk – 1 шт. • Гарантийный талон, 12 месяцев – 1 экз.

 

Стандартный комплект поставки осциллографа xDS3064E включает щупы с делением 1:1 и 1:10, что обеспечивает максимальное входное напряжение на щупе 600В. Для выполнения безопасных измерений напряжений до 2000 В, рекомендуем использовать пробники с делением 1:100, к примеру модели P4100 (полоса 100 МГц) и P4250 (полоса 250 МГц)…. и не забывайте об общей “земле” каналов.

 

В случае имеющихся вопросов относительно функциональных возможностей, просьба обратится к нашему техническому специалисту по указанным выше телефонам.

Повышение точности измерений с помощью осциллографа

Одним из наиболее важных функциональных блоков цифрового осциллографа является аналого-цифровой преобразователь или АЦП. Этот пост в блоге объясняет, почему разрешение АЦП (число битов) стало более важным фактором в осциллографах, особенно для измерения мелких деталей сигнала.

Разрешение АЦП

РИСУНОК 1. Прохождение обобщенного сигнала через цифровой осциллограф

 

Многие высокоточные приборы используют большое количество битов в своих АЦП. Например, прецизионный цифровой мультиметр (DMM), такой как Keithley 2002, может выполнять измерения с разрядностью до 28 бит. Так почему же разрешение осциллографа традиционно было ниже? В осциллографах традиционно использовались 8-разрядные АЦП, потому что технология АЦП осциллографов имеет приоритет частоты дискретизации. 8-разрядные АЦП могут обеспечивать высокую частоту дискретизации и, следовательно, отличное временное разрешение. Даже относительно недорогие осциллографы теперь производят выборку с частотой Гвыб/с. Напротив, частота дискретизации цифровых мультиметров намного ниже — примерно порядка десятков или сотен выборок в секунду.

8-разрядный АЦП в осциллографе обеспечивает хороший баланс между скоростью сбора данных и точностью амплитуды для сигналов с частотами в сотни и уровнями напряжения TTL порядка 0–5 В. Для этого типа сигнала 8-разрядное разрешение является обычно достаточно.

Однако по мере того, как мы переходим к новым технологиям, таким как устройства IoT, мобильные устройства и автономные транспортные средства, которые полагаются на высокоскоростные сети, низкий уровень помех и низкое энергопотребление, инженеры сталкиваются с новыми проблемами проверки сигналов очень малой амплитуды с большей точность.

Необходимость учитывать более мелкие детали сигнала приводит к необходимости увеличения количества битов АЦП при одновременном снижении шума осциллографа.

РИСУНОК 2. Добавление всего нескольких битов к АЦП значительно увеличивает количество уровней напряжения, которые может разрешить АЦП.

 

Традиционные 8-битные АЦП (без передискретизации и постобработки) обеспечивают 2 ⁸ = 256 уровней оцифровки по вертикали. Это может быть слишком грубо для таких приложений, как проектирование источников питания, где требуется более высокое разрешение по вертикали в относительно высоких диапазонах напряжения. Напротив, 12-разрядный АЦП может выдать до 2 ¹² = 4096 уровней оцифровки по вертикали для очень большого увеличения разрешения по вертикали (рис. 2).

ASIC в основе 12-разрядных осциллографов Tektronix

РИСУНОК 3. Специальная интегральная схема TEK049 разработана специально для осциллографов последнего поколения захватить мельчайшие детали сигнала. Высокое разрешение обеспечивается специальной микросхемой ASIC под названием TEK049., показанный на Рисунке 3 и лежащий в основе каждого MSO (осциллографа смешанных сигналов) Tektronix серий 4, 5 и 6. Эти осциллографы поддерживают дисплеи высокой четкости, до 8 входов FlexChannel®, 12-битное вертикальное разрешение и до 16-битное разрешение с передискретизацией, и все это благодаря схеме, встроенной в TEK049. Это высокоинтегрированная система смешанных сигналов на кристалле (SOC) с 400 миллионами транзисторов и 2 миллиардами соединений, состоящая из четырех АЦП и обработки сигналов. АЦП могут достигать частоты дискретизации до 25 Гвыб/с.

Практический пример измерения: измерения переключения источника питания

В этом примере мы оцениваем секцию переключения в источнике питания. Это измерение является сложной задачей, потому что мы хотим посмотреть на периодичность звонка при довольно большом сигнале переключения. Колебания относительно малы по сравнению с амплитудой сигнала переключения.

РИСУНОК 4. Увеличение сигнала переключения с помощью 8-разрядного осциллографа MDO4000C (слева) и 12-разрядного MSO серии 4 (справа)

На рис. 4 показан тот же тест с использованием осциллографов с разным разрешением по вертикали. Схема переключения звонит после каждого цикла, и цель состоит в том, чтобы исследовать колебания. Чтобы увидеть весь цикл переключения, масштаб по вертикали должен быть установлен примерно на 1 В/дел, чтобы сигнал соответствовал 10 делениям дисплея.

На рисунках 5 и 6 показаны два осциллографа в одинаковых условиях: (частота дискретизации 250 Мвыб./с, 10 тыс. выборок, 1 В на деление). На обоих приборах использовался один и тот же оптически изолированный датчик напряжения IsoVu, чтобы практически исключить влияние шума датчика. Вы можете видеть, что с 8-битным осциллографом результаты с высоким коэффициентом масштабирования ограничены, потому что появляются значительные шаги квантования, что затрудняет анализ колебаний. Однако 12-битный осциллограф отчетливо показывает осцилляции при сравнимом масштабе.

РИСУНОК 5. Звон на осциллографе MDO4000C с 8-битным разрешением

РИСУНОК 6. Звон на новом осциллографе MSO серии 4 с 12-разрядным разрешением сопоставимые осциллографы.

 

Дополнительная информация

Для более глубокого изучения технологий новых осциллографов серий 4, 5 и 6, сочетающих 12-разрядные АЦП с малошумящими входными каскадами и инновационным DSP, загрузите наш новый технический документ здесь.

Более подробную информацию о MSO серии 4, MSO серии 5 и MSO 6 можно узнать на страницах наших продуктов.

 

аналоговый — Как цифровые осциллографы достигают такой высокой частоты дискретизации?

спросил 11 лет, 9 месяцев назад

Изменено 5 лет, 8 месяцев назад

Просмотрено 16 тысяч раз

\$\начало группы\$

Как это достигается с точки зрения сбора данных? Если бы я хотел реализовать самодельное цифровое устройство для захвата высокочастотных аналоговых сигналов, какие у меня были бы варианты? До сих пор я придумал только несколько довольно бесполезных идей для дизайна!

Используя микропроцессор PIC, частота дискретизации аналого-цифрового преобразователя в серии 18f, как мне кажется, составляет порядка 1 МГц при 10-битной точности, если я прав (?) И я не могу себе представить выделенный аналого-цифровой преобразователь чипы намного лучше, как современные прицелы достигают частот в ГГц?

• аналоговый
• выборочный

\$\конечная группа\$

2

\$\начало группы\$

DSO начального уровня Rigol 1052E (тот, что у меня есть и способный работать на частоте 100 МГц с изменением программного обеспечения) использует Analog Devices AD9288. Это двухканальный АЦП с 8-битными параллельными выходами и частотой выборки 40 или 100 миллионов выборок в секунду (в зависимости от разрядности микросхемы). Хотя Rigol производит 1 гигабайт выборки в секунду, я не уверен, мультиплексируют ли они их или что именно дает им 10-кратное увеличение выборки по сравнению с одним чипом.

AD9288 имеет побитовый преобразователь конвейерного типа для 5 старших разрядов и использует 3-битную флэш-память для последних 3 младших разрядов. Это имеет смысл, так как более высокую величину должно быть легче быстро преобразовать с помощью конвейеров. Как сказал Стивен, по мере того, как скорость вашего АЦП будет расти, количество битов, выбранных с помощью флэш-преобразования, будет увеличиваться.

\$\конечная группа\$

2

\$\начало группы\$

Я полагаю, что они используют Flash ADC . Их преимущество заключается в том, что преобразование происходит немедленно, в то время как АЦП с последовательной аппроксимацией, подобные используемым в большинстве микроконтроллеров, выполняют алгоритм, требующий ряда шагов. Недостатком флэш-АЦП является то, что они довольно требовательны к аппаратному обеспечению (8-битный АЦП имеет 255 компараторов), но большинство осциллографов не имеют очень высокого разрешения. (Аналоговые прицелы часто имели точность 3%, что соответствует 5 битам.)

\$\конечная группа\$

2

\$\начало группы\$

Джодес, ваш комментарий говорит о том, что вы получили свой ответ, но решение гораздо больше, чем Flash ADC. Ознакомьтесь с рекомендациями по применению Agilent «Методы достижения полосы пропускания осциллографа выше 16 ГГц». Раньше я работал в этом кампусе (но не претендую на то, что у меня есть подробный опыт). Компания Agilent в Колорадо-Спрингс — это глобальный центр знаний, связанных с обработкой мультигигагерцовых сигналов. Они работали над решением 32 ГГц для лет , а поставки начались только в прошлом году. Активные датчики и микроэлектроника, обрабатывающие сигналы, чрезвычайно сложны. Ознакомьтесь со всей библиотекой документов, связанных с высокопроизводительным осциллографом DSO и DSA компании Agilent Infiniium

серии X. Погуглите — URL-адрес уродлив, и я не уверен, что они предлагают постоянную ссылку на страницу библиотеки. Вы также можете ознакомиться с соответствующими патентами.

\$\конечная группа\$

1

\$\начало группы\$

Производители осциллографов рекламируют «эквивалентную частоту дискретизации». Это НЕ частота дискретизации в реальном времени. Это частота дискретизации, полученная с использованием выборок из нескольких периодов и выборок в разные моменты сигнала. Комбинируя их, вы получаете более высокую «эквивалентную частоту дискретизации». Таким образом, если у вас будут АЦП со скоростью 100 MSPS и вы сделаете это 10 раз (очень плохо!), вы получите 1GSPS.

Это плохо, потому что предполагается, что ваш сигнал является периодическим, а это не всегда так.

Что важно для осциллографа, так это частота дискретизации «однократного импульса». Это также функция, которую вы, вероятно, будете использовать (например, захватить отклик на шаг) или внимательно посмотреть на нетанцующую волну. Это дает представление о том, на что способно аппаратное обеспечение, а не «полируется» программным обеспечением. Аппаратное обеспечение можно чередовать, то есть использовать несколько высокоскоростных АЦП и синхронизировать сигналы «начало преобразования» в нужное время. По этой же причине некоторые осциллографы будут иметь более высокую частоту дискретизации в одноканальном режиме, чем в двухканальном. Ваша типичная серия PIC18 имеет только 1x преобразователь АЦП, но несколько каналов (с аналоговым мультиплексором).

Кроме того, выделенные микросхемы АЦП могут быть намного, намного быстрее. 100MSPS не так уж сложно найти. Взгляните сюда, National рекламирует их как сверхвысокие скорости. Я не знаю, как именно они работают, я вижу, что 3GSPS уже используют внутреннее чередование.

http://www.national.com/en/adc/ultra_high_speed_adc.html

\$\конечная группа\$

3

\$\начало группы\$

Rigol 1052E, упомянутый Джо, является отличным примером того, как это можно сделать эффективно и дешево. Он использует кучу независимых АЦП, каждый из которых имеет более низкую частоту дискретизации, и синхронизирует их в противофазе друг с другом. Таким образом, сэмплы извлекаются из каждого АЦП по очереди в циклическом режиме.

Очевидно, что для того, чтобы сделать это таким образом, ваша синхронизация должна быть чрезвычайно точной, и похоже, что 1025E использует PLD именно для этого — и, учитывая, что та же самая плата и имеет ПЛИС, связанную с обработкой входящего сигнала, это Похоже, что PLD (гораздо менее мощный, но с более предсказуемой внутренней маршрутизацией) был добавлен из-за его способности генерировать и обрабатывать сигналы с очень точной синхронизацией.