OSCILOSCOPUL CU MEMORIE NUMERICA

Osciloscopul cu memorie numericA

1. Justificare

Afisarea de tip dinamic, ce caracterizeaza osciloscopul cu tub catodic, permite numai vizualizarea unor evenimente periodice a caror frecventa depaseste 20(40)Hz; sub aceasta valoare fenomenul de palpaire a imaginii devine suparator.

Primele incercari de a vizualiza evenimente singulare sau periodice de joasa frecventa au impus utilizarea unui regim de vizualiare de tip declansat (GBT este activat doar atunci cind apare un semnal de trigger) si fotografierea imaginii.

In anii '70 s-a utilizat tubul catodic cu memorie analogica (TCMA). Constructia presupunea prezenta in tubul catodic a unei grile de memorare (GRMEM), de tip sita metalica fina avand in noduri pastile semiconductoare; prin excitare cu un fascicul de electroni rapizi -produsi si deviati ca intr-un tub catodic standard- GRMEM pastreaza - pentru perioade indelungate- o 'urma electrica' a evolutiei Y(X). Citirea GRMEM cu un fascicul de electroni lenti (trimisi de asa numitele 'tunuri de inundare') permite afisarea pe ecrean a imaginii memorate. Varianta avea dezavantaje multiple (costul TCMA, alterarea in timp a imaginii, banda de frecventa limitata superior la 10..50MHz, inregistrarea doar a unei imagini, imposibilitatea prelucrarii complexe).

La inceputul anilor '80, o data cu realizarea industriala a unor module de conversie analog-numerice rapide si a aparitia unor tehnici noi de memorare analogica (folosind CCD -Charge Coupled Devices), TCMA au fost abandonate, realizandu-se osciloscoapele cu memorie numerica (Digital Storage Oscilloscope -DSO). Aceste constructii domina azi gama osiloscoapelor profesionale.

2. Principii funcTionale

Principiul DSO este elementar: evolutia temporala de analizat este esantionata, cuantificata si memorata numeric; pentru afisare se foloseste un tub catodic clasic, tehnicile de afisare fiind de tip cu interpolare (de ordinul zero, unu sau in sinus). Un asemenea principiu deschide calea unor procedee elaborate de achizitie (in timp real, de tip sampling, cu achizitia anvelopei -oricare in varinta unica sau cu repetare-), a prelucrarii complexe (mediere temporala, netezire temporala -procedee ce permit micsorarea influentei zgomotelor de context), tranformind DSO intr-un sistem numeric de achizitie si prelucrare performnat.

2.1. Tehnici de conversie in valori numerice folosite in DSO

2.1.1. Coditionari

Principala conditie impusa conversiei in valori numerice dintr-un DSO priveste timpul

de conversie. Deoarece, obligatoriu, DSO trebuie sa aiba posibilitatea inregistratii unor evolutii tranzitorii timpul de conversie analog-numerica trebuie sa fie cat mai mic, sub 100ns. Conditia de timp de conversie fiind primordiala se accepta o rezolutie primara de 8 biti, ce a devenit practic un standard; prin prelucrari numerice ulterioare rezolutia efectiva a conversiei poate creste.

Avand in vedere conditiile impuse s-au impus urmatoarele tehnici achizitie in valori numerice: conversie A-N directa; esantionarea si memorarea prin procedee analogice in timp real a evolutiei de vizualizat, urmata de o conversie in valori numerice si memorare numerica, off-line, a valorilor memorate analogic.

2.1.2. Varianta cu conversie A-N directa

Conversia folosind CAN de tip paralel asigura o precizie ridicata, echivalentul unei rezolutii adevarate de 8..10 biti, timpul minim de conversie fiind 5..20ns. Variantele moderne de asemenea convertoare (vezi fig.4.5.9) au o structura sincrona de tip pipe-line cu doua nivele, ceea ce inseamna ca: nu necesita circuit de esantionare si memorare, valoarea intrarii ce se converteste in valori numerice este definita de unul din fronturile semnalului de tact; iesirea numerica la un moment dat reprezinta rezultatul conversiei valorii pe care marimiea de intrare o avea la inceputul perioadei de tact precedente.

2.1.2. Variante cu memorare analogica intermediara

A. Solutia, destul de raspandita azi in DSO ieftine sau cu rata de esantionare peste 100 Msample/sec, presupune o esantionare si memorare analogica rapida urmata de o conversie A-N lenta (tehnica abreviata FISO -Fast In Slow Out); se reuseste astfel -cu pretul scaderii preciziei conversiei- reducerea pretului (dictat practic de CAN) si depasirea barierei impusa de timpul de conversie A-N.

Trei sunt tehnicile ce permit esantionarea si memorarea analogica rapide: cu linie de intarziere din capacitati comutate; cu CCD (Charge Coupled Devices); cu Scan Converter.

B. Structura principiala a unei linii de intarziere din capacitati comutate este pezentata, pentru patru celule, in fig.1.; componentele structurii sunt: K -set de chei electronice de tip comutator (conutatea lor fiind sincrona -toate pe A sau toate pe B); RU -repetoare de tensiune (folosite ca adaptoare de impedanta -asigura des-carcarea minima a capacitatii din amonte si incarcarea rapida a conden-satorului din aval-).

Se observa ca: dupa o comutare A-B-A (cu respectarea timpilor de incarcare a condensatoarelor) tensiunea de pe fiecare condesator a fost transferata spre condensatorul din aval; prima celula reprezinta circuitul de esantionare, tot ansamblul comportandu-se ca un registru de deplasare analogic.

Dupa N tacte (N fiind numarul de celule din structura) s-au memorat, analogic, N esantioane din valoarea marimii de intrare; valorile din memoria analogica se pot mentine pentru o perioada de ordinul ms, suficienta pentru ca prin deplasare cu un tact mult mai lent decat cel de achizitie sa se realizeze conversia in valori numerice si memorarea numerica.

Structura prezentata este realizata monolitic si asigura frecvente de esantionare de pana la 50MHz.

C. Un dispozitiv de tip CCD reprezinta o constructie monolitica ce se prezinta ca o succesiune de porti de tip MOS, fiind organizata multicelular -similar unui registru de deplasare. Fiecare celula are in structura trei sau patru porti; prin felul in care sunt controlate portile dintr-o celula si din celule adiacente se asigura transferul de sarcina din amonte in aval cu rate ce pot atinge 500MHz.

In fig.2. este prezentata forma bloc principiala a unei parti din structura de esantionare si memorare cu CCD dintr-un DSO Tektronix (seria 2400). Se identifica o structura de tip serie-paralel-serie, formata din trei segmente: A -registru de deplasare de intrare; B -masiv de memorie cu inscriere paralela, organizat din 16 registre de deplasare cu 33 de celule fiecare; C- registru de deplasare de iesire. A asigura esantionarea marimii analogice si memorarea suscesiva a 16 valori.

La completatea lui A cu valori esantionate, continutul sau se transfera, paralel, in B; la fiecare transfer in B valorile din acesta avanseaza cu un pas spre aval (urmare a structurii de tip registru de deplasare a fiecarui comonent din masivul B). Registrul C se foloseste, dupa terminarea achizitiei in timp real in masivul B; prin intermediul sau valorile esantionate si memorate in B, sunt transferate spre un CAN ce le va converti in valori numerice, malori care apoi sunt memorate. In fig.2. se prezinta (prin numerotarea valorilor esantioanelor) starea din achizitie in care au fost memorate 35 de esantioane.

Toate DSO cu rata de esantionare in gama 150..500 MHz folosesc tehnica de memorare primara in structuri cu CCD.

C. Scan Converter (SCANCO) reprezinta un tub electronic ce are in structura o placuta de Si cu suprafata de mici dimensiuni (cca 13mm x 9mm) numita Target (tinta), un sistem rapid de scriere WR si un altul lent de citire, RD. In fig.3.a) se prezinta schita principiala a SCNCO; se observa ca sistemul de scriere este de tip tun electronic si deflexie electrostatica, sistemul de citire fiind cu deflexie electromagnetica.

Tinta este o structura de diode ordonata matricial (de obicei 512x512), toate diodele

de pe o coloana avand catodul comun si fiind polarizate ca in fig.3.b.. Atunci cand fasciculul de scriere trece peste Target capacitatile de bariera ale diodelor atinse se incarca cu saecina (prin emisie secundara). Cand fasciculul de citire baleiaza toate randurile din Target, pe rezistentele din coloanele ce contin diode 'activate prin scriere' vor apare pulsuri de curent ce permit identificarea numerica (in coordonte Y-X) a urmei lasate de fasciculul inscriptor.

Scan Converter permite esantionarea unor evolutii temporale cu rata de pana la 10..25 GHz, rezolutia conversiei fiind de 8 9 biti (pentru o viteza de baleiere la scriere de 1000cm/ ms, o Target cu lungime de 10cmm si o rezolutie de 512 puncte, rezulta perioada de esantionare de cca 2 sec, deci o frecventa de esantionare de 50ghz).

2.2.Tehnici de reconstituire pe CRT a unor evolutii digitizate

A. O evolutie digitizata (esantionata si cuantificata) se poate reconstitui pe ecranul

unui tub catodic (CRT -Chatode Ray Tube) din puncte sau din segmente orientate.

B. Reconstituirea din puncte (REPU) are la baza diagrama din fig.4., din care rezulta ca o colectie de puncte cu luminozitate uniforma se obtine din combinarea unor tensi-uni in scara cu trepte egale dupa axa timpu-lui.

Principial struc-tura hardware implicata de REPU este prezenta-ta in fig.5.

Varianta poate fi utili-zata doar daca numarul de puncte pe o divizi-une a ecranului DSO este de cel putin 15..30; aceasta implica utiliza-rea unui CNA de rezolutie mare (12 biti) si a unei rate de esantionare excesiv de mari (de 30..50 de ori frecventa semalului vizualizat), conditii ce pot reprezenta dezavantaje majore. Daca numarul de puncte este mai mic si daca se vizualizeaza pe acelasi ecran mai multe evolutii temporale identificarea acestora poate deveni dificila.

C. Reconstituirea din segmente orientate (vectori) permite obtinerea unor erori mici de reconstructie cu un numar mic de esantioane; cu 10..15 esantioane/ perioada si o reconstructie cu vectori, eroarea vizuala devine neglijabila.

Structura hardware ce permite o reconstituire din vectori este prezentata in fig.6. Procesorul de panta prelucreaza doua esantioane succesive, oferind catre CNA valoarea care integrata un timp prestabilit (o perioada de tact) va determina vectorul ale carui capete sunt chiar punctele ce corespund esantioanelor prelucrate. Prezenta SHA -amplificator cu esantionare si memorare , este impusa de felul in care sunt accesate CNA (valoarea de intrare este oferita fragmentat si fara memorie tempon).

Metoda folosind vectori este utilizata nu numai pentru vizualizarea evolutiei temporale esantionate ci si pentru afisarea pe ecranul DSO a diferite informatii de tip alfanumeric (valori pentru factorii de scara mesaje, meniuri, etc).

2.3. Procesari de semnal specifice DSO

Pentru a putea permite evidentierea unor fenomene ce por scapa esantionarii (precum evnimentele tranzitorii de foarte scurta durata, numite glitchuri) sau pentru a imbunatati rezolutia analizei semnalului esantionat, DSO profesionale ofera cateva facilitati importante: achizitia anvelopei, medierea unor evolutii temporale succesive, netezirea unei evolutiei temporale.

A. Achizitia anvelopei (infasuratorii unei evolutii temporale), inseamna ca pentru fiecare perioada de esantionare nu se memoreaza o singura valore (ce corespunde, de obicei, inceputului perioadei de esantionare) ci doua valori, ce reprezinta maximul si minimul evolutiei analizate pe intervalul perioadei de esantionare.

Cunoscut si sub numele de Peak Detect, acest regim de achizitie implica prezenta unor detectoare de varf (atat a maximului pozitiv cat si a maximului negativ) ca elemente initiale ale prelucrarii, marimilor lor de iesire fiind cele ce sunt achizitionate. Datorita specificului detectoarelor de varf (se cer initializate inaintea oricarui ciclu de masurare) informatia memorata intr-o perioada de esantionare corespunde valorii marimii de intrare in osciloscop din perioada de esantionare precedenta.

In fig.7. sunt prezentate, pentru aceeasi unda, rezultatele unei achizitii normale (cu valoare esantionata unica) si a unei achizitii de tip PeakDetect. Se observa ca in varianta b) nu se pierde nici o valoare semnificativa, eroarea de apreciere temporala fiind de maxim o perioada de esantionare.

Deoarece fenomenul de tip glitch poate fi aleatoriu regimul de PeakDetect are si o versiune cu cumularea imaginilor de pe mai multe sesiuni de achizitie conditionate de acelasi nivel de triggerare(AccPeakDetect).

B. Medierea evolutiilor temporale ce corespund unor sesiuni de achizitie succesive conditionate similar, permite micsorarea semnificativa a zgomotului; se obtine astfel cresterea rezolutiei masurarilor pe verticala imaginii oferita de DSO.

De remarcat ca zgomorul suprapus peste semnalul util afecteaza, in cazul sincronizarii interne, si nivelul temporal de declansare al unei sesiuni de achizitie; esantioane cu aceeasi pozitie relativa fata de momentul triggerarii in nivel nu corespund unor puncte distantate cu un multiplu intreg de perioade ale semnalului vizualizat.

Daca esantioanele din sesiunea j sunt x_jk, k=1..N atunci valoarea esantionului din evolutia mediata se determina cu relatia:

,

in care reprezinta valoarea esantionului din evolutia mediata obtinuta la pasul de mediere anterior. Coeficientul M defineste ponderea noilor esantioane si este dependent de j; DSO din seriaTektronix 2400 folosesc corespondenta din tabelul de mai jos:

Raportul semnal -zgomot creste prin mediere cu radicalul valorilor mediate, ceea ce implica o crestere a rezolutiei valorilor mediate peste rezolutia CAN utilizat la cuantificarea valorilor esantionate.

C. In cazul achizitiei unei evolutii singulare modalitatea utilizata pentru micsorarea influentei zgomotului este netezirea (Smoothing).

Un posibil algoritm de netezire (prezent in Seria Tektronix 2400) presupune:

la primul pas se mediaza primele cinci valori esantionate (numerotate cu 1..5), rezultatul inlocuind valoarea centrala a grupului de esantioane luate in calcul (deci esant. nr.3);

la pasul doi se mediaza alte cinci esantioane (cu numerele 2..6) rezultatul inlocuind esantionul adiacent celui inlocuit anterior (deci nr.4);

incepind de la al treilea pas, pastrand regula de mediere si inlocuire, rezulta ca intra in calcul doua esantioane corectate si trei necorectate, media lor inlocuind primul dintre esantioanele necorectate utilizate.

Algoritmul este recomandat de utilizat daca evolutia esantionata urmeaza sa fie prelucrata ulterior prin diferentiere; evident netezirea nu este recomandata daca se urmareste evaluarea valorilor varf la varf sau a spike-urilor.

E. Pentru reducerea semnificativa a numarului de esantioane necesare reconstructiei unei evolutii temporale unele DSO folosesc interpolarea esantioanelor achizitionate initial

pentru a indesi multimea valorilor disponibile.

Cu o asemenea tehnica, numita Sinus Interpolation si implementata cu un filtru digital de tip FIR -Finite duration Impulse Response, se ajunge la reconstituirea unei evolutii sinusoidale esantionata cu o rata de numai 2.5 ori mai mare decat frecventa evolutiei (DSO din seria Tektronix 2400). Metoda da bune rezultate si la reconstituirea fronturilor, daca durata lor este mai mare de 1.7 ori decat perioada de esantionare.

3. Structura si facilitatile standard ale unui DSO

A. Forma bloc

Implementarea chiar numai a setului minimal de functii explicitate anterior face dintr-un DSO un echipament scump (de ordinul miilor de USD).

In fig.8 se prezinta forma bloc a unui DSO de complexitate medie. Functinal se remarca: structura de achizitie, compusa din: blocul de achizitie, procesorul de achizitie, baza de timp digitala, blocul de sincronizare; structura de afisare, ce cuprinde: tubul catodic, procesorul de unda, controllerul de afisare; structura de interfata, ce contine: controllerul sistemului, interfata utilizator, interfata de comunicatii. Controllerul de sistem coordoneaza (planifica) toate sectiunile functionale si realizeaza cooperarea intre acestea.

B. Facilitati functionale

O sesiune de achizitie este declansata de un semnal de trigger (intern sau extern). Pozitia temporala a nivelului de triggerare intre esantioanele memorate este programabila, fiind posibila memorarea si a unui numar specificat de esantioane situate temporal inaintea aparitiei conditiei de triggerare (pretrigger). O sesiune de achizitie finalizata urmeaza obligatoriu actualizarea imagimii afisate pe tubul catodic.

Regimul de achizitie poare implica o singura sesiune sau sesiuni succesive (ceea ce inseamna implicit medierea achizitiilor succesive); implicarea sau nu a PeakDetect este posibila in oricare regim.

Rata de asantionare rezulta implicit prin fixarea factorului de scara pentru axa timpului (axa X -X') a sistemului de afisare; uzual se asigura 50..100 esantioane pentru fiecare diviziune (cca 1cm) a ecranului.

Pentru factori de scara ai axei timpului mai mari de 0.1sec/Div, deci pentru cazul vizualizarii evolutiilor lente, se implementeaza un regim de afisare specific, numit Roll. Evolutia analizata este prezentata pe masura ce se realizeaza achizitia, imaginea pe ecran 'scurgandu-se' de la dreapta spre stanga in ritmul in care se face improspatarea valorilor achizitionate; se obtine senzatia derularii unei inregistrari pe hartie, de aci si numele regimului.

C. Utilizari

Spre deosebire de OSCA, DSO este un echipament mai precis (erori de evaluare sub 1%) deoarece: factorii de transfer ai canalelor Y si X sunt cunoscuti cu precizie; nici o masurare nu presupune evaluarea unor segmente pe ecran -datorita facilitatilor unor cursoare (de obicei doua) ce se 'plimba' pe imaginea memorata, pe ecran fiind inscrise, numeric, fie coordonatele punctului curent fie ecartul ce corespunde pozitiei a doua cursoare-.

Masurarile ce se pot efectua direct sunt elementare: masurarea de valori momentane si masurarea unor intervale temporale. 'Puterea' DSO consta in: sofisticatele regimuri de achizitie, adecvate testarii echipamentelor electronice dintre cele mai diverse (analogice- nunerice, de mic semnal sau de putere, de joasa sau de inalta frecventa); posibilitatile de prelucrare complexa pe care le ofera memorarea numerica a valorilor esantionate (din ce in ce mai multe dintre aceste prelucrari -calcul de valori sintetice, analiza spectrala- fiind incorporate in DSO).