Глубина памяти осциллографа: больше — не всегда лучше

Какова глубина памяти вашего настольного осциллографа? За­труд­няетесь ответить? Не расстраивайтесь, большинство пользователей тоже этого не знает. Но вы уверены в том, что чем больше глубина памяти, тем лучше? Ответ на этот вопрос не столь прост, как кажется.
Попытаемся разобраться, что такое память захвата осциллографа и насколько важен этот параметр. В простейшем случае на входной каскад осциллографа поступает аналоговый сигнал, а затем в АЦП этот сигнал преобразуется в цифровую форму. После оцифровки данные должны быть сохранены в памяти, обработаны и отображены на экране в виде осциллограммы. Память осциллографа непосредственно связана с частотой дискретизации. Чем больше объем памяти, тем более длинную выборку можно сохранить при захвате сигналов за более длительный период времени. Чем выше частота дискретизации, тем выше эффективная полоса пропускания осциллографа.

Мертвое время осциллографа может привести к потере редких событий. Чем выше скорость обновления (величина, изменяющаяся обратно пропорционально мертвому времени), тем больше шансов увидеть такие события Скорость обновления (или связанное с ней понятие «мертвое время») показывает, как быстро осциллограф может запуститься, обработать захваченные данные, а затем отобразить их на экране. Чем выше скорость обновления или короче мертвое время, тем больше шансов поймать редкое событие. Представление о высокой скорости обновления часто связывается с выпущенными довольно давно аналоговыми осциллографами. К счастью, такие новые архитектуры осциллографа как MegaZoom IV компании Agilent обеспечивают более высокие скорости обновления, чем самый быстрый аналоговый осциллограф, недавно появившийся на рынке.

Итак, чем глубже память осциллографа, тем он лучше? В идеальном случае ответ на этот вопрос положительный. Но давайте сравним два осциллографа со всеми аналогичными характеристиками кроме одной — глубины памяти. Первый из них обеспечивает полосу пропускания 1 ГГц, частоту дискретизации 5 Гвыб./с и возможность хранить в памяти 4 млн выборок (назовем для определенности эту архитектуру MegaZoom). Другой осциллограф обеспечивает полосу пропускания 1 ГГц, частоту дискретизации 5 Гвыб./с и память захвата на 20 млн выборок (архитектура на основе ЦП). В таблице 1 приведены данные о настройках скорости развертки и частоте дискретизации. Существует следующая простая формула для расчета требуемой частоты дискретизации при заданных скорости развертки и объеме памяти (для 10 делений на экране и без сигналов, захваченных вне развертки экрана):

Частота дискретизации (до максимального значения частоты дискретизации АЦП) = глубина памяти/((установленная скорость развертки) × 10 делений).

Например, при скорости развертки 160 мкс/дел. и максимальной глубине памяти 4 млн выборок получаем: 4000000/((160 мкс/дел. ∙ 10 дел.) = 2,5 Гвыб./с.
Из таблицы 1 следует, что чем больше глубина памяти, тем выше частота дискретизации по мере снижения скорости развертки (время/дел.). Поддержание высокой частоты дискретизации — важная функция, позволяющая осциллографу работать с максимальной эффективностью. В современных осциллографах доступен широкий диапазон значений глубины памяти при частоте дискретизации 5 Гвыб./с — от 10 Квыб. до 1 Гвыб.

Понятно, что глубокая память полезна, если речь идет о высокой частоте дискретизации. Но когда глубокая память невыгодна? Когда она замедляет работу осциллографа до такой степени, что уже не позволяет решать проблемы при отладке схем?
Глубокая память — это большая нагрузка на систему. Одни осциллографы, настроенные на быстрый захват сигналов и высокую скорость обновления сигналов на экране, продолжают быстро реагировать на управление. Другие осциллографы обладают заявленными характеристиками лишь на бумаге, а в действительности ими нельзя воспользоваться, т.к. при прочих равных условиях скорость обновления у них падает на несколько порядков (для обсуждения скорости обновления см. врезку).
Обратимся снова к тем же двум осциллографам. При 20 нс/дел. (высокая скорость развертки) оба осциллографа реализуют максимально возможные скорости обновления. И ни один из осциллографов не использует всю память, значение которой указано в техническом описании. Но что происходит в случае более медленных скоростей развертки, например, 400 нс/дел.? Осциллограф с архитектурой MegaZoom использует больше памяти, чтобы сохранить максимально возможную частоту дискретизации — он ведет себя так, как и следует ожидать от прибора с глубокой памятью, который поддерживает частоту дискретизации 5 Гвыб./с и все еще высокую скорость обновления. Осциллограф с архитектурой на основе ЦП по-прежнему будет использовать то же заданное по умолчанию значение глубины памяти, чтобы не увеличилось время реакции на управление, и не сможет поддерживать высокую частоту дискретизации. При этом может снизиться и скорость обновления.
Что произойдет, если регулировать глубину памяти для сохранения высокого значения частоты дискретизации? Мы заметим, что в осциллографе, не способном регулировать глубину памяти, частота дискретизации максимальна (5 Гвыб./с), а скорость обновления сигналов на экране составляет 1/3 от аналогичного значения для осциллографа с MegaZoom. Причем, она уменьшается при более медленных скоростях развертки (например, при 4 мкс/дел. скорость обновления осциллографа с MegaZoom в 20 раз выше, чем у осциллографа на основе ЦП, см. табл. 2).

Что же отличает один осциллограф, оптимизированный по глубине памяти, от другого, у которого фиксированная настройка используемой памяти 10 Квыб., чтобы сохранить быструю реакцию на управление? Главным образом, это зависит от архитектуры осциллографа. В некоторых осциллографах используется центральный процессор общего назначения («архитектура на основе ЦП»), и от степени его адаптации для конкретной задачи зависит, насколько быстро осциллограф обрабатывает информацию и отображает ее на экране. Если ЦП не способен решать задачи управления глубиной памяти при регистрации захваченных сигналов, он замедляет процесс обработки и отображения данных, тем самым снижая скорость обновления сигналов (иногда существенно). На рисунке 1 представлен пример такой архитектуры.
К счастью, существует другой путь. В осциллографах, оптимизированных по глубине памяти, используется специализированная ИС, которая позволяет отказаться от ЦП как составной части архитектуры осциллографа. Остался ли в осциллографе центральный процессор? Конечно, но теперь он используется для периферийной обработки данных, что позволяет осциллографу выполнять свое главное назначение — отображать сигналы. На рисунке 2 показан пример этой инновационной архитектуры, используемой в осциллографах DSO серии 3000 X компании Agilent. В них применяется специализированная ИС MegaZoom IV, обеспечивающая высокую скорость обновления при максимально возможных глубине памяти и частоте дискретизации.

Рис. 1. Структурная схема осциллографа на основе ЦП, демонстрирующая каким образом ЦП ограничивает полноценную регистрацию сигналов

Рис. 2. Архитектура MegaZoom со специализированной ИС, управляющей выводом на дисплей сигналов из памяти захвата

Память и архитектура осциллографа настолько взаимосвязаны, что существуют причины, по которым нельзя поддерживать по умолчанию значение глубины основной памяти 10 Квыб. Например, одним из лучших усовершенствований в осциллографах за последние 15 лет стало добавление цифровых каналов, однако не все цифровые каналы реализованы одинаково. Включение цифровых каналов в архитектуру на основе ЦП, которую мы обсуждали выше, вызовет такое замедление работы осциллографа, что скорость обновления никогда не превысит 135 осц./с независимо от глубины памяти или скорости развертки. Это на несколько порядков медленнее, чем максимальная скорость обновления, указанная производителем. Почему так происходит? Опять же, причина того — архитектура осциллографа.
Как видно из рисунка во врезке, цифровые каналы осциллографа смешанных сигналов (MSO) не слишком удачно вписываются в архитектуру на основе ЦП, в которой процессору отводится основная роль в формировании изображения развертки. Можно заметить, что в осциллографах с архитектурой MegaZoom (см. рис. 1) цифровые каналы являются неотъемлемой частью специализированной ИС, которая выполняет формирование изображения развертки сигналов для всех каналов. Архитектура MegaZoom позволяет не замедлять работу осциллографа при подключении цифровых каналов. Другие общие функции, как например интерполяция Sinx/x, также могут настолько замедлить работу приборов на основе ЦП, что произойдет катастрофическое снижение скорости обновления при изменении скорости развертки в зависимости от того, подключен или отключен фильтр Sinx/x. Архитектура MegaZoom не страдает от этой проблемы.
Низкая скорость отклика осциллографа на управление является еще одним недостатком систем на основе ЦП. Вы когда-нибудь ждали, когда установится переключенная скорость развертки на осциллографе с большой глубиной памяти? Или пытались вернуть прежнюю настройку только потому, что осциллограф медленно реагирует и вы случайно проскочили требуемое значение? Это происходит из-за того, что ЦП не успевает обработать данные — одна и та же причина вызывает снижение скорости обновления и приводит к падению скорости реакции прибора на управление.
До сих пор мы обсуждали режимы, в которых осциллограф работает и используется, например, для отладки. Но если необходимо взглянуть на сигнал, захваченный за один цикл выборки, то прибор с большим объемом памяти предпочтительнее, так ведь? Для отображения этого сигнала не требуется высокая скорость обновления, а скорость реакции осциллографа на управление должна быть лучше, чем в случае непрерывного захвата и отображения. Это логичное предположение в некоторых случаях действительно верно. Но что, если вы рассматриваете сигнал, представляющий собой пакеты данных с большими временными промежутками между ними (например, импульс РЛС или кадры/пакеты данных последовательных шин)? В осциллографах без оптимизации глубины памяти необходимо использовать все, что хранится в памяти выборок: и то, что захвачено во время паузы между пакетами, и сам пакет данных. Это не самое лучшее применение памяти, так как пользователю, наверное, требуются только пакеты. В некоторых осциллографах предусмотрена функция «сегментированной» памяти, которая позволяет оцифровывать только требуемую часть сигнала. Благодаря этой функции память используется более эффек­тивно.
Рассмотрим пример, где необходимо применение сегментированной памяти. На рисунке 3 видны два пакета радиолокационных сигналов, разделенных большой паузой. В осциллографах без оптимизации глубины памяти оцифровываются и пакеты, и сигнал между ними. Из этого рисунка видно, что частота дискретизации осциллографа (с типовым значением 5 Гвыб./с) составляет всего лишь 625 Мвыб./с — и это для захвата только двух импульсов! Что же произойдет, если потребуется захватить 100 импульсов? Частота дискретизации снизится до значения менее 10 Мвыб./с, и импульсы далее нельзя будет идентифицировать, т.к. они расположатся далеко за пределами выборки. На захват этих 100 импульсов и всего времени паузы между ними при частоте дискретизации 5 Гвыб./с понадобится осциллограф с памятью на 2,5 Гвыб. В настоящее время на рынке нет осциллографов с такой глубиной памяти.

Рис. 3. Два разнесенных во времени ВЧ-импульса. Обратите внимание на низкое значение частоты дискретизации, обусловленное тем, что осциллограф обрабатывает сигнал и во время прохождения импульсов, и во время паузы

В случае сегментированной памяти можно оцифровать только ту область, которая представляет интерес (сам пакет) и игнорировать время паузы между пакетами. На рисунке 4 представлен первый из 100 ВЧ-пакетов, захваченных с помощью сегментированной памяти. Обратите внимание на то, что частота дискретизации составляет 5 Гвыб./с и каждый сегмент имеет метку времени, указывающую на то, какой момент времени рассматривается относительно начального пуска. На рисунке 5 показан 100-й пакет и его метка времени (396,001 мс). Осциллограф позволяет перемещаться между сегментами и анализировать их (в т.ч. декодировать пакеты в каждом сегменте, если используется сегментированная память для анализа сигнала последовательной шины).

Рис. 4. Первый из 100 ВЧ-пакетов, захваченных с помощью сегментированной памяти. Обратите внимание на то, что частота дискретизации равна 5 Гвыб./с

Рис. 5. Последний, 100-й пакет, из захваченных с помощью сегментированной памяти. Обратите внимание на частоту дискретизации (5 Гвыб./с) и метку времени (396,001 мс)

Таким образом, часто приходится убеждаться в том, что привлекательные характеристики вовсе не являются преимуществом предлагаемого изделия. Хотя большое значение памяти захвата может и выглядеть очень заманчивым, следует подумать о том, как будет использоваться осциллограф. В некоторых случаях самая глубокая память, действительно, станет лучшим выбором. Но во многих других применениях осциллограф с оптимизацией глубины памяти является лучшим вариантом, т.к. он не разочарует своей медлительностью или нестабильной работой.