Инновационная технология Spectrum View в осциллографах Tektronix

Spectrum View - новый подход к анализу в частотной области на современных осциллографах

До недавнего времени существовал единственный осциллограф, который позволял проводить коррелированный по времени анализ как во временной, так и в частотной областях с независимым контролем формы сигнала и спектра - это осциллограф Tektronix серии MDO4000C. Теперь, для выполнения данных задач, осциллографы смешанных сигналов Tektronix серии MSO4, MSO5, MSO6 и LPD64 предлагают встроенный в прибор инструмент анализа, называемый Spectrum View.

Данная технология поставляется в осциллографах нового поколения: в серии MSO5, MSO58LP, MSO6 и LPD64 в стандартной комплектации, а в серии MSO4 - опционально.

/нажмите на изображение для полноформатного просмотра/

Рисунок 1. Spectrum View позволяет одновременно просматривать осциллограмму 
и спектр сигнала с независимыми элементами управления в каждой области.

Ключевые возможности технологии Spectrum View

Технология Spectrum View предоставляет несколько ключевых возможностей:         

• Управление настройками во временной и частотной областях независимо друг от друга
  
• Позволяет просматривать как осциллограммы, так и спектр сигнала с одного и того же аналогового входа
• Обеспечивает точную корреляцию событий во временной области и измерений в частотной области (и наоборот)
• Использовать анализатор спектра для каждого входного канала
• Позволяет использовать привычные элементы управления анализом спектра: центральная частота, полоса обзора (SPAN) и разрешение полосы (RBW)
• Использовать автоматические и ручные маркеры
• Строить зависимости мощности/частоты/фазы сигнала от времени (опция)
• Проводить временную корреляцию с различными типами сигналов

Особенности новой технологии Spectrum View

Новая архитектура

Технология Spectrum View использует запатентованную ПЛИС, встроенную в прибор. В отличие от обычных цифровых осциллографов, в осциллографах серии MSO4, MSO5 и MSO6 на каждом канале FlexChannel находится 12-разрядный АЦП внутри специализированной ПЛИС. Как показано на рисунке 2, каждый АЦП отправляет высокоскоростные оцифрованные данные по двум путям.

/нажмите на изображение для полноформатного просмотра/

Рисунок 2. Цифровые преобразователи с понижением частоты, реализованные на 
специальной интегральной микросхеме, обеспечивают одновременное отображение сигналов 
и спектра с независимыми элементами управления.

Один путь ведет к аппаратным дециматорам, которые определяют скорость, с которой сохраняются выборки во временной области. Второй - к цифровым понижающим преобразователям, также реализованным аппаратно. Этот подход обеспечивает независимое управление данными во временной и в частотной областях, позволяя оптимизировать как отображение осциллограммы, так и спектр данного сигнала. Это также делает более эффективным использование длинной памяти, доступной в этих приборах.

Сравнение Spectrum View с обычным БПФ

БПФ в осциллографах, как известно, трудно использовать, так как управляется БПФ той же системой сбора данных, что и для представления во временной области. Изменение центральной частоты, полосы обзора или разрешения полосы приведет к нежелательным изменениям горизонтальной шкалы, частоты дискретизации и длины записи, что делает невозможным процесс измерений во временной области.

/нажмите на изображение для полноформатного просмотра/

Рисунок 3. При оптимизированном просмотре БПФ представление 
тактового сигнала во временной области теперь сильно сжато.

Как только просмотр во временной области позволяет легко визуализировать синхроимпульсы, то БПФ не имеет достаточного разрешения, чтобы быть полезным.

    /нажмите на изображение для полноформатного просмотра/

Рисунок 4. Оптимизация временной области при использовании обычного БПФ. 
Детализация частотной области для тактового сигнала с расширенным спектром отсутствует.

Технология Spectrum View дает возможность регулировать настройки в частотной области, используя знакомые параметры, такие как центральная частота, полоса обзора и разрешение полосы (RBW), не зависимо от временной области. Таким образом можно независимо оптимизировать отображение в обоих областях.

/нажмите на изображение для полноформатного просмотра/

Рисунок 5. Глядя на тот же синхросигнал с расширенным спектром, что и на рисунках 3 и 4, 
Spectrum View позволяет оптимизировать одновременный просмотр как во временной, так и в частотной областях.

Время Спектра

Экранный индикатор под названием «Время спектра» (Spectrum Time) используется для указания того, в какой момент времени отображается спектр сигнала. Ширина индикатора Spectrum Time - это просто коэффициент окна, деленный на разрешение полосы. Вы можете перемещать «время спектра» в течение всего захвата, чтобы увидеть, как представление в частотной области изменяется со временем. Вы даже можете сделать это на остановленном захвате.

/нажмите на изображение для полноформатного просмотра/

Рисунок 6. «Время спектра» помещается примерно через 300 мс после срабатывания системы запуска. Обратите внимание, экранный индикатор «Время спектра» обведен красным цветом. Курсоры в частотной области показывают ширину спектра. 

Мощность/Частота/Фаза в зависимости от времени

Базовые данные I и Q, которые используются для создания спектра, отображаемого в Spectrum View, также могут быть использованы для расчета радиочастотных и временных сигналов, которые показывают, как различные характеристики радиочастотного сигнала изменяются на протяжении всего сбора данных, а не только в том месте, где установлен экранный индикатор «Время спектра». Доступны три типа зависимостей:

• Мощность - мгновенная мощность спектра в зависимости от времени
• Частота - мгновенная частота спектра относительно центральной частоты в зависимости от времени
• Фаза - мгновенная фаза спектра относительно центральной частоты в зависимости от времени

/нажмите на изображение для полноформатного просмотра/

Рисунок 7. Очень легко увидеть, что происходит с расширенным спектром синхроимпульса, посмотрев на мощность и частоту в зависимости от времени. График зависимости от времени показывает, что сигнал включается в точке запуска на очень низком уровне, а график зависимости частоты от времени показывает, что сигнал остается на одной частоте в течение первых ~ 300 мс. В этот момент видно, что мощность сигнала значительно увеличивается и частота начинает меняться.

Каждая из этих трасс может быть включена и выключена независимо, и все три могут отображаться одновременно.

/нажмите на изображение для полноформатного просмотра/

Рисунок 8. Теперь мы увеличили интересующий период (примерно через 300-320 мс после запуска). 
Обратите внимание, что можно ясно видеть колебания мощности и изменения частоты в более широком диапазоне.

/нажмите на изображение для полноформатного просмотра/

Рисунок 9. Теперь мы еще больше увеличили масштаб и можем легко просматривать используемую треугольную модуляцию частоты и можем посредством автоматического измерения в строке результатов подтвердить, что мы получаем правильную частоту модуляции 39,07 кГц.

Временная корреляция с другими сигналами

В дополнение к представлению того, как сигнал в частотной области изменяется со временем, время спектра позволяет вам коррелировать по времени события в частотной области с другими интересующими вас сигналами в вашей системе. На рисунке 10 мы зафиксировали запуск генератора, управляемого напряжением (ГУН) с фазовой автоподстройкой частоты ФАПЧ (PLL/VCO).

/нажмите на изображение для полноформатного просмотра/

Рисунок 10. Подается сигнал на включение генератора, по шине SPI подаётся команда, которая сообщает генератору VCO, на какую частоту настраиваться. В данном случае это 2,4 ГГц. Используя Spectrum Time, мы можем просмотреть данные и увидеть, когда выходной РЧ сигнал стабилизировался на частоте 2,4 ГГц. Затем, используя курсоры, мы можем измерить временной интервал от события запуска до местоположения Spectrum Time и увидеть, что для достижения желаемой частоты потребовалось 304 мкс.

• Канал 1 (желтый) - сигнал включения ГУН

• Канал 2 (голубой) - это напряжение ФАПЧ

• Канал 3 (линия B1, цифровая информация сжата) настроен как цифровой вход* и декодирует шину SPI, которая управляет генератором PLL/VCO

• Канал 4 - РЧ выход

*Цифровые каналы активируются подключением логического пробника TLP058. 

Многоканальный анализ

Для более сложного устранения неполадок, представление спектра доступно на нескольких каналах, как показано на рисунке 11. Каждый из двух аналоговых сигналов с цветовой кодировкой имеет соответствующий спектр. Обратите внимание, что теперь есть индикатор Spectrum Time для каждого канала (выделен белым прямоугольником). По умолчанию все индикаторы Spectrum Time коррелированы и перемещаются вместе, когда вы перемещаетесь по записи. Это гарантирует, что вы видите коррелированные по времени спектры по всем каналам. В этом примере два канала показывают запуск тактового сигнала из двух разных точек цепи.

/нажмите на изображение для полноформатного просмотра/

Для сложной диагностики, окна Spectrum Time можно «разблокировать» и перемещать независимо друг от друга. Кроме того, центральная частота каждого спектра может быть смещена независимо, однако все каналы просмотра спектра должны использовать одну и ту же полосу обзора, разрешение полосы и тип окна.

/нажмите на изображение для полноформатного просмотра/

Рисунок 12. Окна Spectrum Time «разблокированы» и разнесены по разным временным интервалам относительно события запуска. Спектр каждого сигнала отображается в окне слева напротив каждого канала в соответствующем цвете.

/нажмите на изображение для полноформатного просмотра/

Рисунок 13. Окна Spectrum Time «разблокированы» и разнесены по разным временным интервалам относительно события запуска. Спектр каждого сигнала отображается в окне слева напротив каждого канала в соответствующем цвете. Все спектры находятся в одном динамическом диапазоне, что дает возможность наложение спектров для сравнения сигналов.   

Сферы применения технологии Spectrum View 

• Медиатехнологии нового поколения
• Автомобилестроение и автомобильный Ethernet
• Оборонная промышленность
• Приборостроение
• Высокоскоростная передача данных
• Разработка энергоэффективных систем
• Разработка и отладка Интернет-вещей (IoT) устройств
• Производственные испытания
• Лабораторные испытания
• Разработка и отладка электронных устройств
• Образование и обучение 

Выводы

• С помощью новой технологии Spectrum View стал доступен многоканальный эффективный анализ и отладка встроенных систем с точной корреляцией событий как во временной, так и в частотной областях. Благодаря этому, можно анализировать аналоговые, цифровые и радиочастотные сигналы одновременно на одном экране. Это повышает точность измерений и сокращает время на тестирование и отладку системы.
• Также появилась возможность независимого управления настройками во временной и частотной областях, что дает подробную картину каждого типа отображения сигнала на экране прибора. Это, в свою очередь, позволяет проводить точные измерения и анализ сигналов.
• А с появлением функции построения зависимостей мощности/частоты/фазы от времени, можно проводить поэтапные измерения в нескольких контрольных точках устройства и анализировать его поведения в различных режимах работы.

Смотрите видео по теме:

• Spectrum View: способ проведения многоканального спектрального анализа на осциллографах Tektronix нового поколения

• Спектральный анализ с помощью Spectrum View на осциллографе Tektronix серии MSO4