Oscyloskop Keysight MSOX3104A

Oscyloskopy 100 MHz - 1 GHz

Seria 3000A wciąż jest w sprzedaży, natomiast jej następcą jest oscyloskop 3000T

Oscyloskop Keysight MSO-X 3104A - garść najważniejszych informacji


W oscyloskopie MSO-X 3104A wszystko, począwszy od najdrobniejszych szczegółów mechanicznych, przez rozwiązania czysto elektroniczne, na oprogramowaniu przyrządu kończąc, wykonano perfekcyjnie. Naprawdę trudno znaleźć jakiś element, do którego można by mieć jakieś zastrzeżenia. Oscyloskop został wyprodukowany z materiałów najwyższej jakości. Można tak powiedzieć o podzespołach elektronicznych i mechanicznych. Nie ma mowy o szpecących nadlewkach na elementach plastikowych, o niecentrycznie lub z dużymi oporami obracających się pokrętłach czy napisach wycierających się po dwóch naciśnięciach  przycisków. Bardzo duży wyświetlacz, wręcz olbrzymi, jeśli wziąć pod uwagę całkowite wymiary przyrządu, daje niepowtarzalny komfort pracy. Nawet po wydzieleniu stałego pola, w którym są wyświetlane wartości aktualnych parametrów pozostaje sporo miejsca na oscylogramy. Na rysunku 1 przedstawiono zrzut ekranu z włączonymi kursorami ekranowymi. Ich opis jest umieszczony zarówno w dolnej linii, jak i w stałym polu parametrów. Duża rozdzielczość ekranu pozwala bardzo precyzyjnie ustawić kursory w żądanym punkcie wykresu. 

 

Już trudno powiedzieć ile w jednym - moc funckonalności


Tendencja do zwielokrotniania funkcji urządzeń elektronicznych rozszerzyła także na oscyloskopy cyfrowe. Już dawno prze stały to być tylko i wyłącznie urządzenia do graficznej wizualizacji przebiegów elektrycznych. Aktualnie, nawet najprostsze oscyloskopy są naszpikowane nieznanymi w czasach przyrządów analogowych funkcjami. Oscyloskop MSOX3104A jest świetnym tego przykładem.  Zacznijmy od funkcji najprostszych. Oscyloskop-woltomierz, tak można nazwać pierwsze rozszerzenie możliwości pomiarowych tego przyrządu. Wprawdzie rozwiązanie takie było stosowane już w oscyloskopów analogowych, ale wtedy wymagało sporego wysiłku od konstruktorów. Trudność wiązała  się z wyświetlaniem wartości numerycznych  na lampie oscyloskopowej, której nadrzędnym zadaniem było jednak wyświetlanie  przebiegów. Radzono sobie w ten sposób,  że w oscyloskop wbudowywano mały wyświetlacz najczęściej ze wskaźnikami LED, który wyświetlał numeryczne parametry wy  świetlanego przebiegu. Dysponując wyświetlaczem graficznym funkcję tę można zrealizować znacznie prościej (rysunek 2), ale  trzeba otwarcie powiedzieć, że w przypadku  takiego oscyloskopu, jak MSOX3104A, cyfrowy woltomierz wyświetlający wartości na  dużym wskaźniku jest raczej tylko gadżetem.  Owszem, gdyby miernik taki pełnił funkcję  multimetru mogącego mierzyć nie tylko na  pięcie i częstotliwość, ale i inne parametry  sygnału, celowość jego implementacji byłaby  dużo większa.  Pomiary, tzw. automatyczne w oscyloskopie MSOX3104A oczywiście są.

Można  mierzyć 30 parametrów. Jednocześnie są wy  świetlane maksymalnie 4 dowolnie wybrane  przez użytkownika. Wyniki pomiarów są  umieszczane na wykresie w sposób kryjący  lub przeźroczysty (rysunek 3). Po wybraniu  opcji Snapshot All na ekranie jest umieszcza  na tabelka ze wszystkimi parametrami, ale jak sama nazwa wskazuje, jest to tylko zrzut ekranowy wartości zmierzonych w chwili naciskania przycisku (rysunek 4). Niestety, nie ma możliwości oglądania wyników wszystkich parametrów w czasie rzeczywistym.

Kolejny przyrząd zawarty w oscyloskopie MSO-X 3104A to analizator widma. No nie, tak powiedzieć nie można, byłoby to jednak nadużycie. Nie chodzi bowiem o taką funkcjonalność, jaką zapewniają prawdziwe analizatory RF. Tu mamy do czynienia tylko ze zwykłą analizą FFT, jaka jest dostępna w każdym szanującym się oscyloskopie cyfrowym. Jednak implementacja tej funkcji w oscyloskopie MSO-X 3104A jest jedną z lepszych, jakie można spotkać w oscyloskopach cyfrowych. Analiza jest szybka, w dogodny sposób jest ustawiany zakres częstotliwości wykresu widmowego. Służą do tego dwa parametry określające zakres częstotliwości (Span) i częstotliwość środkową wyświetlaną na ekranie (Center). Dzięki temu można bardzo dokładnie i pod pełną kontrolą przeglądać całość, lub dowolny fragment widma.


Oscyloskop MSO-X 3104A, sądząc choć by z nazwy, umożliwia jednoczesną obserwację przebiegów analogowych oraz cyfrowych. Mamy zatem kolejny przyrząd zaszyty w środku, jest nim analizator stanów logicznych. Gniazdo sondy logicznej jest umieszczone na panelu przednim pod wyświetlaczem. Długie przewody umożliwiają wygodne dołączenie się do badanego urządzenia, ewentualny nadmiar kabli można wsunąć pod oscyloskop, jeśli będzie ustawiony na wyciągniętych nóżkach. Sonda mająca 16 kanałów jest podzielona na dwa porty po 8 linii. Przebiegi cyfrowe są wyświetlane w 3 rozmiarach (rysunek 5) wybieranych przez użytkownika. Można też decydować o tym, które linie analizatora mają być wyświetlane, a które nie, jak również ustalać ich kolejność na ekranie. Stany poszczególnych linii analizatora są wyświetlane jako niezależne przebiegi czasowe, lub jako magistrala z opisem binarnym lub heksadecymalnym (rysunek 6).

Kolejny wirtualny przyrząd, który spotykamy we wszystkich oscyloskopach MSO to analizator protokołów. Producenci prze ścigają się w liczbie obsługiwanych standardów. Keysight nie pozostaje w tyle. Na liście oscyloskopu MSO-X 3104A znajdują się interfejsy: ARINC 429, CAN, FlexRay, I 2 C, I 2 S, LIN, MIL-STD-1553, SPI, UART/RS232. Wybranie któregoś z nich skutkuje umieszczeniem odpowiedniej opcji wyzwalania i związanych z nią zdarzeń wyzwalających. Na przykład, jeśli zostanie wybrany interfejs I 2 C, to w opcjach wyzwalania pojawia ją się pozycje Serial 1 (I2C) i Serial 2 (I2C) oraz związane z nimi zdarzenia wyzwalają ce. Dzięki temu istnieje możliwość nie tyl ko odczytywania i interpretowania danych przesyłanych danym interfejsem, ale także poszukiwania określonych sytuacji, na przy kład przesłania danej o konkretnej wartości. Analizator protokołów wbrew pozorom staje się więc idealnym narzędziem bardziej dla programistów niż dla elektroników. Błędy w transmisji często wynikają z tzw. pluskiew w oprogramowaniu. Przed użyciem analizatora konieczne jest odpowiednie skonfigurowanie badanego protokołu. Chodzi nie tylko o określenie prędkości transmisji, długości słowa itp., ale należy też pamiętać o prawidłowym ustawieniu parametrów elektrycznych, a więc standardu logicznego, progów wyzwalania itp. Myląca często bywa logika interfejsu, która np. dla UART-u jest dodatnia, ale już dla RS232 ujemna. Elektronicy, a częściej elektrycy czy energetycy wykorzystują w swej pracy mierniki jakości energii elektrycznej. Taki wirtualny przyrząd jest dostępny w oscyloskopie MSO-X 3104A. Właściwie, podobnie jak w przypadku analizatora widma, jest to wydzielony zespół funkcji pomiarowych. Wprawdzie klasyczne mierniki tego typu są produkowane jako przyrządy ręczne, wielko ści typowego multimetru cyfrowego, ale taka funkcja może okazać się przydatna także w oscyloskopie. Nie powinna natomiast raczej decydować o wyborze tego modelu przy zakupie, tym bardziej, że konieczne jest po siadanie sondy prądowej i sondy różnicowej (rysunek 7), których nie ma na wyposażeniu standardowym oscyloskopu. Miernik jakości energii elektrycznej mierzy 11 parametrów zasilania i urządzeń dołączonych do sieci zasilającej. Są to: harmoniczne (rysunek 8), sprawność, prąd rozruchu, modulacja, ja kość mocy, utrata energii przy przełączaniu, odpowiedź na nagłą zmianę obciążenia (transient response), czas włączenie i wyłączenia, tętnienia, współczynnik tłumienia zasilania (PSRR), Slew Rate.

Ostatnim przyrządem zabudowanym w oscyloskopie MSO-X 3104A jest generator arbitralny. Rozwiązania takie są przejawem trendu, jaki obserwujemy już od pewnego czasu, uwzględnianego przez wielu producentów, w tym Keysight. Generator oscyloskopu MSO-X 3104A ma własne gniazdo wyjściowe umieszczone na płycie czołowej pod wyświetlaczem. Generuje 12 predefiniowanych przebiegów o różnych kształtach, w tym jeden przebieg arbitralny użytkownika będący w stałej gotowości. Przebiegów własnych może być jednak znacznie więcej, gdyż są one zapisywane w pamięci Flash oscyloskopu, lub na pendrivie. Częstotliwości generowanych przebiegów zależą od ich kształtu, np.: maksymalna częstotliwość dla sinusoidy jest równa 20 MHz, a dla przebiegu arbitralnego 12 MHz. Podobnie jest z amplitudami, choć generalnie można przyjąć zakres regulacji 5 Vpp z offsetem ±2,5 V. Specyficznymi przebiegami wyjściowymi jest napięcie stałe oraz szum. W oprogramowaniu firmowym uwzględniono prosty edytor przebiegów z funkcją interpolującą, który jak w większości tego typu przyrządach należy traktować raczej jako podręczne narzędzie pomocnicze (rysunek 9). Przebiegi są zapisywane w plikach CSV, więc można je łatwo i wygodnie przygotować na komputerze, a następnie wyeksportować do oscyloskopu.

Inne cechy oscyloskopu
Standardy do tyczące parametrów oscyloskopów cyfrowych tak szybko się zmieniają, że coraz trudniej do konać miarodajnej klasyfikacji. Jeszcze nie tak dawno przy rządy te można było wyraźnie podzielić na sprzęt popularny, wręcz domowy przeznaczony raczej dla amatorów oraz sprzęt profesjonalny o wyraźnie lepszych parametrach i większej funkcjonalności. Obecnie można wy różnić jeszcze trzecią grupę urządzeń o parametrach wyśrubowanych do granic możliwości i oczywiście astronomicznych cenach, kupowanych do najbardziej skomplikowanych zagadnień technicznych. Jeśli przyjąć taki właśnie podział sprzętu, to oscyloskop MSO-X 3104A należy zaliczyć do środkowej grupy, a więc do sprzętu profesjonalne go o bardzo dobrych parametrach i relatywnie przystępnych cenach (niestety nie znaczy, że niskich). Jeśli jednak próbowalibyśmy dokonywać dalszego podziału, to MSO-X 3104A należałoby umieścić w górnej strefie tej grupy. Świadczą o tym podstawowe parametry, które są najczęściej brane pod uwagę w tego typu klasyfikacjach. Oscyloskop MSO-X 3104A ma pasmo analogowe 1 GHz, częstotliwość próbkowania 5 GSa/s z przeplotem i 2,5 GSa /s bez przeplotu, 4 kanały analogowe i 16 cyfrowych, rekord 2 Mpunkty z przeplotem i 1 Mpunkt bez przeplotu z możliwością rozszerzenia do 4 Mp/2 Mp. Nowoczesna techno logia Mega ZOOM IV oparta na złożonym systemie zarządzania pamięcią zapewnia dużą szybkość odświeżania przebiegu przy dużych rekordach pamięci. Dzięki temu możliwe jest odświeżanie przebiegów do 1.000.000 razy na sekundę i powiększanie fragmentów oscylogramu (rysunek 10).

Należy zwrócić uwagę na to, że analizatory stanów logicznych zaszywane we współczesnych oscyloskopach cyfrowych przewyższają swoimi parametrami urządzenia, które jeszcze do niedawna były produkowane jako stacjonarne, specjalizowane przy rządy. Częstotliwość próbkowania kanałów cyfrowych w oscyloskopie MSO-X 3104A jest równa 1,25 GSa/s, a częstotliwość prze biegu cyfrowego może być równa 50 MHz. Obsługiwane są standardy TTL (1,4 V), CMOS (2,5 V), ECL (–1,3 V), ale można też zdefiniować własny poziom progowy. Jedną z najsilniejszych cech oscyloskopu MSO-X 3104A są tryby wyzwalania. Jak już wiemy, po włączeniu analizatora protokołów pojawiają się opcje wyzwalania związane z wybranym do analizy interfejsem komunikacyjnym, ale możliwe jest również wy zwalanie określoną kombinacją wzorcową uwzględniającą zarówno kanały analogowe, jak i cyfrowe. Kanały analogowe są w tym przypadku traktowane jako magistrala cyfrowa o poziomie progowym równym poziomowi wyzwalania, kanały cyfrowe natomiast pracują w wybranym wcześniej standardzie. Warunek wyzwalania zawiera konkretne stany na wskazanych liniach, albo ich zmiany na określoną wartość. Ciekawą opcją są okna czasowe ustalane dla wprowadzonych przez użytkownika sekwencji wzorcowych. Wyzwolenie dla tej opcji następuje, gdy zadana sekwencja utrzyma się w zadeklarowanym czasie. Czas jest też argumentem opcji wyzwalania Nth Edge Burst. W tym trybie wyzwalanie następu je dwuetapowo. Najpierw jest wykrywane zbocze, po którym następuje zwłoka (Idle time). Teraz odliczana jest zadeklarowana liczba zboczy sygnału wejściowego, i dopiero w tym momencie następuje wyzwolenie. Następnym bardzo często spotykanym trybem w oscyloskopach MSO jest Runt, opcja wykorzystywania do wykrywania zkłóceń amplitudowych sygnałów cyfrowych (rysunek 11). Inną, pożyteczną opcją w aplikacjach cyfrowych jest Setup and Hold, której zasadę działania wyjaśniono na rysunku 12.

Technika HDTV stała się już tak powszechna, że musiało to znaleźć odbicie w profesjonalnym sprzęcie pomiarowym. W oscyloskopie MSO-X 3104A rozszerzono więc opcje wyzwalania wideo o obsługę HDTV. Interfejs USB od początku był bardzo nie wygodny w obsłudze na „niskim poziomie”.  Czysty i przejrzysty protokół RS232 został wyparty przez rozwiązanie dużo bardziej uniwersalne i wydajne, ale też bardzo złożone i trudne do opanowania. Nie dziwi więc popularność mostów USB<–>UART, które bardzo szybko zdobyły duże uznanie nawet profesjonalistów. Pełne możliwości interfejsu USB wymagają jednak jego bezpośredniej obsługi, a ta często wiąże się z koniecznością obserwacji sygnałów elektrycznych. Oscyloskop MSO-X 3104A będzie bardzo użyteczny w takich pracach, gdyż ma specjalny tryb wy zwalania USB. Wyzwolenie jest ustawiane na następujące zdarzenia: Start of Packet (SOP), End of Packet (EOP), Reset Complete (RC), En ter Suspend (Suspend) lub Exit Suspend (Exit Sus) na różnicowych liniach D+ i D–. Obsługiwany jest tryb USB Low Speed i Full Speed.

System akwizycji
Pierwsze wersje oscyloskopów cyfrowych, tzw. DSO (Digital Storage Oscilloscope) nieźle zastępowały oscyloskopy analogowe w obserwacjach stosunkowo prostych przebiegów. Trochę gorzej było, gdy zaczęto stawiać przed nimi takie zadania, jak np. poszukiwanie zakłóceń impulsowych. Nie wystarczy do tego tylko zwiększenie częstotliwości próbkowania, konieczne są czasami bardzo rozbudowane systemy akwizycji danych. W oscyloskopie MSO-X 3104A dostępnych jest kilka środków pozwalających radzić sobie w takich przypadkach. Przyrząd ten dysponuje czterema trybami pracy układu akwizycji. Są to: Normal – przydatny w większości zwykłych pomiarów, Peak Detect – umożliwiający obserwację bardzo wąskich impulsów nawet przy długich podstawach czasu, Averaging – stosowany przede wszystkim w celu skutecznej eliminacji szumów w sygnale okresowym, ale bez ograniczania pasma pomiarowego i High Resolution, który również redukuje szum i wygładza przebieg, ale niestety odbywa się to kosztem zmniejszenia pasma pomiarowego. Tryby Averaging i High Resolution zwiększają efektywną rozdzielczość przetwarzania, która dla prędkości próbkowania mniejszej niż 10 MSa/s może być równa nawet 12 bitów. Pamiętajmy jednak, że jest to efekt sztuczny, przetworniki A/C pracują zawsze z rozdzielczością 8-bitową. W oscyloskopie MSO-X 3104A zastosowano jeszcze jedno istotne np. dla poszukiwania przypadkowych zakłóceń rozwiązanie, jakim jest segmentacja pamięci. Po zapełnieniu każdego segmentu oscyloskop przezbraja się i uzyskuje gotowość do wyzwolenia w czasie ok. 1 ms. Obserwację przypadkowych zakłóceń ułatwia ponadto persystencja o regulowanym czasie. Jest to cyfrowa wersja wydłużonej po światy stosowanej kiedyś w oscyloskopach klasycznych.

Matematyka
Personifikując nieco rolę procesora obsługującego oscyloskop można stwierdzić, że ma on pełne ręce roboty. Jakby tego było mało, dorzucono mu całkiem obszerny ze staw dodatkowych zajęć w postaci wykonywanych w czasie rzeczywistym obliczeń matematycznych. I nie chodzi bynajmniej o 4 podstawowe działania. Obliczenia ma tematyczne podzielono na cztery grupy. Są to podstawowe działania matematyczne, przekształcenia, filtrowanie i wizualizacja. Przykładowo, grupa przekształceń obejmu je takie funkcje, jak różniczkowanie, całkowanie, pierwiastkowanie i analizę FFT. Ko lejne funkcje, jak logarytmowanie, funkcje wykładnicze i wiele innych, są dostępne po wykupieniu odpowiedniej licencji.

W grupie wizualizacji znajduje się szereg ciekawych opcji. Jest to na przy kład obliczanie trendu. Załóżmy, że mamy przebieg o zmieniającej się częstotliwości. Oscyloskop oblicza częstotliwości chwilo we badanego przebiegu, a następnie analizuje trend tych zmian i nanosi go na wy kresie (rysunek 13). Podobnie działa funkcja Chart Logic Bus Timing, która analizuje stan magistrali cyfrowej i wykreśla go jako wartość analogową na wykresie czasowym – idealna opcja do sprawdzania pracy prze tworników analogowo-cyfrowych.
W telegraficznym skrócie
Jak widać, o oscyloskopie MSO-X 3104A można pisać bardzo dużo, nie mniej jednak artykuł musi zmieścić się w pewnych ramach. Dalsze informacje zostaną więc podane w dużym skrócie, a dotyczyć one będą takich elementów dostępnych w oscyloskopie MSO-X 3104A, które można spotkać w większości innych oscyloskopów cyfrowych. Zaczynamy od tzw. odchylania poziomego. Mamy tu trzy tryby pracy: Normal, XY, i Roll. Normal to typowych tryb dla każdego oscyloskopu, w którym oscylogram jest kreślony jako napięcie w funkcji czasu. Punkt wyzwolenia może być do myślnie ustawiony na środku ekranu lub w położeniu odpowiadającym 10% lub 90% szerokości. Oczywiście każde inne położenie jest też możliwe za pomocą po krętła przesuwu poziomego. Bardzo wy godnym, z raczej niespotykanym w oscyloskopach cyfrowych rozwiązaniem jest możliwość precyzyjnej, przypominającej płynną zmianę podstawy czasu, nie tylko według schematu 1-2-5. W trybie XY tworzony jest wykres napięcia z pierwszego kanału w funkcji napięcia z drugiego kanału. Z kolei tryb Roll jest przydatny do obserwacji przebiegów wolnozmiennych. Podstawa czasu nie może być szybsza niż 50 ms/dz. Wykres jest rysowany od prawej strony do lewej. Przebiegi referencyjne to bardzo wy godne i popularne narzędzie przydatne do uruchamiania i serwisowania urządzeń. Po prawny przebieg zdjęty ze sprawnego urządzenia może być zapisany w pamięci jako referencyjny, by następnie służył jako wzorzec do porównywania analogicznych prze biegów w uruchamianych, bądź serwisowanych urządzeniach. Jednocześnie mogą być aktywne dwa przebiegi referencyjne. Bardzo wygodną funkcjonalnością jest nadawanie własnych etykiet każdemu przebiegowi wyświetlanemu na ekranie. Dotyczy to zarówno kanałów cyfrowych, jak i analogowych. Etykiety mogą być zapisywane w plikach tekstowych w celu szyb kiego ich przywołania na ekranie. Inną formą porównywania badanego sygnału z wzorcem jest test maski. W tym przypadku dokonywana jest kontrola czy przebieg mieści się w założonej tolerancji wyznaczonej przez maskę. Jest to bardzo popularne narzędzie w oscyloskopach cyfrowych. Keysight zastosował jednak bardzo oryginalne narzędzie do tworzenia maski. Zwykle powstaje ona poprzez określenie dopuszczalnej odchyłki w poziomie i w pionie od przebiegu wzorcowego. Ma ska jest następnie tworzona automatycznie i taka tolerancja obowiązuje na całej szerokości ekranu. W oscyloskopie MSO-X 3104A taką maskę można jednak prze słać do komputera w odpowiednim pliku tekstowym, a następnie poddać ją edycji niemal w dowolnym programie obsługują cym ten format danych i ponownie wczytać w oscyloskopie. Przykład takiej maski przedstawiono na rysunku 14. Save/Recall to funkcje dostępne niemal w każdym oscyloskopie cyfrowym. Służą do zapisywania w pamięci wewnętrznej lub zewnętrznej (pendrive) nastaw przy rządu, zrzutów ekranowych, danych, własnych przebiegów utworzonych dla generatora arbitralnego, masek. Zrzuty ekranowe mogą być drukowane bezpośrednio z oscyloskopu na drukarkach sieciowych. Ciekawe swoją drogą, kiedy pojawią się pierwsze oscyloskopy z interfejsem WiFi? A jak już jesteśmy przy portach I/O, to w oscyloskopie MSO-X 3104A dostępne są: LAN, USB i GPIB. Przy okazji należy dodać, że istnieje możliwość zdalnego sterowania przyrządem przez aplikację Web ową.

Od autora
Na zakończenie nie mogę powstrzymać się od przedstawia kilku słów własnej, bardzo subiektywnej oceny. Otóż przez kilka ostatnich lat miałem możliwość testowania wielu oscyloskopów różnych producentów. Oscyloskop MSO-X 3104A na pewno w swojej klasie plasuje się w czołówce światowej, i mimo że na rynku są dostępne oscyloskopy o lepszych parametrach (pasmo, szybkość próbkowania), to MSOX3104A ma w sobie coś, co powoduje, że nie można się od niego ode rwać, jest wyjątkowy. Został opracowany i wykonany perfekcyjnie. Drobne niedociągnięcia, których można dopatrzyć się nawet w najlepszych urządzeniach giną w zalewie zalet.