От первых приборов на основе ЭЛТ до новейших многофункциональных мощных устройств, почтенный осциллограф давно стал главной опорой разработчиков электроники.
Осциллографы способны графически отображать различные характеристики электронных схем в виде двумерной диаграммы зависимости от времени, воспроизводя сигналы, которые слишком быстры и непостоянны, чтобы их можно было воспринимать только человеческим глазом. Осциллограф не только является основным инструментом инженера-электронщика, но и может использоваться в военной/авиационной сфере, науке, медицине, телекоммуникациях и других областях.
Анализ таких свойств сигнала, как амплитуда, частота, время нарастания, временной интервал, искажения и другие аспекты, является существенным фактором повышения эффективности процесса проектирования. Вначале для расчета этих величин требовалось вручную измерять параметры осциллограммы по шкалам, встроенным в экран прибора.
Генезис осциллографа
Первые визуализации высокоскоростных электрических напряжений выполнялись с помощью электромеханического регистратора (Рисунок 1). Со временем их заменили осциллографы на основе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) для отображения результатов. Устройства, которые когда-то называли электронно-лучевыми осциллографами, были вытеснены цифровыми запоминающими осциллографами (DSO) с тонкими ЖК-дисплеями, быстрыми аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) и цифровыми сигнальными процессорами (DSP).
 |
|
| Рисунок 1. | Электромагнитный регистратор измеряет изменения электрического тока, пропуская его через магнитную катушку. |
Электромагнитный регистратор, изобретенный Уильямом Дадделлом (William Duddell), измерял изменения электрического тока, проходящего через магнитную катушку, создающие в катушке импульсы, поддающиеся прямому измерению. В некоторых моделях использовалось зеркало, отражающее луч света, что позволяло измерять мельчайшие движения катушки. В других был указатель для записи значений, часто снабженный пишущей ручкой. Современный осциллограф может иметь встроенный дисплей или представлять собой электронный модуль, подключаемый к компьютеру или ноутбуку для обработки, отображения и записи осциллограмм.
Первый электронно-лучевой осциллограф был создан немецким физиком Фердинандом Брауном (Ferdinand Braun), а в 1931 году В. К. Зворыкин разработал герметичную вакуумную ЭЛТ с термоэлектронным эмиттером, что позволило компании General Radio выпустить осциллограф, который можно было использовать вне лаборатории.
Первый двухлучевой осциллограф был создан в конце 1930-х годов британской компанией A.C.Cossor, которую позже приобрела Raytheon. Широко использовавшиеся во время Второй мировой войны для работы с радиолокационным оборудованием, ЭЛТ создавали не настоящий двойной луч, а скорее раздвоенный луч, сформированный дополнительной пластиной между вертикальными отклоняющими пластинами.
Ранние осциллографы оснащались синхронизированным генератором пилообразного напряжения, обеспечивающим развертку во времени. Зарядка конденсатора постоянным током создает нарастающее напряжение, которое затем подается на горизонтальные отклоняющие пластины для управления разверткой. Когда напряжение на конденсаторе достигало определенной точки, он разряжался, и луч возвращался влево, чтобы начать новый цикл. Зарядный ток можно было регулировать таким образом, чтобы период генератора пилообразного напряжения был больше, чем кратное значение длительности сигнала вертикальной оси.
Первый цифровой осциллограф реального времени
Представляя собой цифровое решение с аналоговым управлением, 175-мегагерцовый осциллограф 9400 Dual бросил вызов отрасли, предложив дисплей, на котором в реальном времени отображается как входной сигнал в верхней части, так и его вычисленный спектр Фурье в нижней части (Рисунок 2). В дисплее, выпущенном в 1971 году, использовалась стандартная серийная телевизионная ЭЛТ.
 |
|
| Рисунок 2. | Осциллограф 9400 Dual с полосой 175 МГц имел дисплей, на котором в реальном времени отображался как входной сигнал на верхней кривой, так и его вычисленный спектр Фурье на нижней кривой. |
Модель 9400 отличалась использованием разработанной LeCroy технологии памяти длительной выборки для практических возможностей анализа большого объема накопленных данных, в то время как другие решения были нацелены на имитацию восприятия экранов аналоговых осциллографов.
Несколько лет спустя компания LeCroy выпустила дискретизатор сигналов WD 2000 (Рисунок 3). Благодаря наличию в одном корпусе АЦП реального времени, памяти и дисплея, устройство в реальном времени регистрировало одиночные события. Он не отличался большой глубины памяти – всего 20 выборок – и он не обеспечивал никакой обработки входного сигнала (только 50 Ом, 1 В полной шкалы), а его цена составляла около 20,000 долларов. Однако он обладал всеми основными функциями цифрового осциллографа и был быстрым. Эти 20 выборок были разнесены на 1 нс в реальном времени.
 |
|
| Рисунок 3. | Дискретизатор сигналов WD 2000 объединил в одном корпусе АЦП реального времени, память и дисплей. |
Стробоскопические осциллографы (или осциллографы с «эквивалентным временем») существовали уже достаточно давно, обеспечивая гораздо более высокую частоту дискретизации, но только для повторяющихся сигналов, однако WD 2000 был осциллографом реального времени с небольшой ЭЛТ. Его скорость достигала таких значений благодаря технологии выборки тока, заимствованной из АЦП, которые компания разработала для экспериментов в области физики элементарных частиц и которые были известны как «Wilkinson Run-Down» АЦП. Они были довольно медленными, но очень точными, и их было 20 в отличие от более современных конструкций, основанных на одном параллельном АЦП.
Интересное замечание касается Майка Бедесема (Mike Bedesem), президента LeCroy Research Systems (так называлась компания в то время), который, как говорят, вручную наносил текст на лицевые панели WD 2000. WD2000 был предвестником цифрового осциллографа 9400 компании в том смысле, что он представлял собой конвергенцию технологий физики высоких энергий, применяемых для наблюдения сигналов. Он так же, как и 9400, представленный в 1984 году, был осциллографом для физиков.
Стремление к совершенству
Электронная промышленность всегда стремилась к разработке все более совершенных решений, и мир осциллографов должен оставаться на переднем крае. Infiniium UXR, разработанная компанией Keysight Technologies, стала первой линейкой осциллографов реального времени, обеспечивающих высокоэффективный сбор данных с разрешением 10 бит (Рисунок 4). Решение предоставляет четыре параллельных канала с аналоговой полосой пропускания реального времени от 5 до 110 ГГц, каждый из которых одновременно выполняет выборку со скоростью 256 Гвыб/с.
 |
|
| Рисунок 4. | Infiniium UXR компании Keysight Technologies обеспечивает высокоэффективный сбор данных с разрешением 10 бит. |
Передовые характеристики, сверхнизкий уровень шумов и высокая точность передачи сигнала, реализованные в Infiniium UXR, позволяют инженерам фиксировать и исследовать очень быстрые явления. Одно-, двух- и четырехканальные модели оснащены 10-битным АЦП и памятью глубиной до 2 гигаточек на канал.
Благодаря максимальному эффективному числу битов (ENOB) при полной полосе пропускания, уровень шумов канала вертикального отклонения Infiniium UXR составляет менее 1 мВ с.к.з. на частоте 110 ГГц. Кроме того, точность измерений прибора обеспечивается низким джиттером, составляющим менее 25 фс (с.к.з.), и межканальным джиттером – менее 10 фс (с.к.з.). Высокая точность работы гарантируется также наличием модулей самокалибровки.
Вдобавок ко всему, в приборах семейства используются специализированная микросхема (ASIC) ускорения измерений и контроллер памяти, позволяющий выполнять 5 триллионов целочисленных операций в секунду. Созданная Keysight фосфид-индиевая ASIC отличается низким уровнем шумов и высокой целостностью сигнала за счет выборки с временным разделением в полной полосе пропускания. 16 ГБ оперативной памяти осциллографа, четырехъядерный процессор с тактовой частотой 3.0 ГГц и аппаратное ускорение обеспечивают быструю обработку данных. А 15.4-дюймовый емкостной сенсорный экран позволяет Infiniium UXR измерять фронты со скоростью 2.8 пс.
Универсальный инструмент
Конвергенция и интеграция стали основными движущими силами в электронной промышленности, и сфера тестирования и измерений находится в русле этого тренда. Новейшие осциллографы – это не просто механизмы отображения информации, а полноценные мощные инструменты разработки с множеством функций.
Например, новейшее решение от Tektronix – осциллограф смешанных сигналов (MSO) Серии 2 – это не только мощный, быстрый и точный прибор, но и устройство с изящным, легким дизайном, оснащенное сенсорным дисплеем высокого разрешения с диагональю экрана 10.1 дюйма (Рисунок 5).
 |
|
| Рисунок 5. | Осциллограф смешанных сигналов (MSO) Серии 2 имеет легкий дизайн с сенсорным дисплеем высокого разрешения размером 10.1 дюйма. |
Прибор толщиной 1.5 дюйма и весом менее четырех фунтов может поместиться в сумку для ноутбука. Он доступен в конфигурации с батарейным питанием, что позволяет инженерам использовать один и тот же прибор на рабочем столе или в полевых условиях. Прибор начального уровня с обычным пользовательским интерфейсом как у планшета, MSO Серии 2 – это доступное устройство как для опытных, так и для начинающих пользователей осциллографов. При полосе пропускания до 500 МГц он претендует на звание самого широкополосного прибора в своей категории.
Экосистема готового к использованию программного обеспечения включает TekScope PC, TekDrive и VNC. С помощью TekScope PC возможности визуализации и анализа выходят за пределы осциллографа и становятся доступными на ПК, а анализ осциллограмм можно проводить в любом месте и в любое время. Совместное облачное рабочее пространство данных предоставляет возможность выгрузки, хранения, организации, поиска, скачивания и обмена файлами любого типа с любого подключенного устройства, а встроенный VNC-сервер обеспечивает удаленное подключение, управление и просмотр MSO Серии 2 из любого места и на любом устройстве.
MSO Серии 2 поддерживают до четырех аналоговых каналов с полосой пропускания 500 МГц, частоту выборки 2.5 Гвыб/с, 16 каналов, 50-мегагерцовый генератор аналоговых функций, 4-разрядный цифровой генератор сигналов специальный формы, расширенный набор способов запуска, декодер протоколов, цифровой вольтметр и частотомер. Емкостной сенсорный экран и интуитивно понятный пользовательский интерфейс упрощают их использование. Широкий ассортимент совместимых щупов и аксессуаров делает MSO Серии 2 многофункциональными устройствами для решения самых разных задач.
Заглядывая вперед
Осциллографы прошли долгий путь от электромеханических механизмов отображения до современных цифровых устройств с широкой полосой пропускания, быстрой выборкой и высокой точностью. Эволюционируя от своих ранних версий, которые даже не могли сохранять данные для последующего анализа, до новейших многофункциональных решений, осциллографы стали еще более важным инструментом для проектирования электроники. Следующее поколение приборов обещает быть еще более мощным, функциональным и полезным.
