ללכוד יותר עם פחות באמצעות רכישת זיכרון מקטעי של אוסילוסקופ

אם האותות שעליך ללכוד באוסילוסקופ הינם בעלי זמני סרק ((Idle times יחסית ארוכים בין פולסים של מחזורי פעולה נמוכה או פרצים (bursts) של פעילות אותות, כגון נתונים סדרתיים מבוססי מנות (packets), אזי שימוש באוסילוסקופ עם רכישת זיכרון מקטעי (segmented memory acquisition) יכול להגדיל את הזמן ואת מספר המנות (packets) הסדרתיות אשר ניתן ללכוד בקצב דגימה גבוה יותר. לכל האוסילוסקופים יש כמות מוגבלת של זיכרון רכישה (acquisition memory) ועליך להיות מודע לכך שעומק הזיכרון של אוסילוסקופ  קובע את כמות זמני צורות הגל ומספר המנות הסדרתיות שהאוסילוסקופ יכול ללכוד בקצב דגימה מסוים. למרות שהינך יכול לקבוע בקלות את בסיס הזמן לערך time/div איטי מאוד כדי ללכוד משכי זמן ארוכים מאוד ומנות סדרתיות רבות, אוסילוסקופים יקטינו אוטומטית את קצב הדגימה שלהם ברגע שהתבצעה חריגה ממרווח הזמן המקסימאלי בקצב הדגימה המקסימאלי של האוסילוסקופ. כאשר קצב הדגימה המקסימאלי של אוסילוסקופ מוקטן, הוא אינו יכול יותר לספק פרטי צורות גל אופקיים ואנכיים (בהתבסס על טווח התדרים וקצב הדגימה המקסימאלי הנקובים לאוסילוסקופ).
במקרה של האוסילוסקופים מסדרת ה-InfiniiVision של Agilent, עומק הזיכרון המקסימאלי הינו 8 מגה-נקודות וקצב הדגימה המקסימאלי הינו 4GSa/s. משמעות הדבר היא שהכמות המקסימאלית של זמן רציף בו האוסילוסקופ יכול ללכוד נתונים תוך כדי דגימה בקצב הדגימה המקסימאלי של 4 GSa/s הינו 2 מילי שניות (זמן רכישה = עומק זיכרון לחלק לקצב דגימה). תרשים 1 מציג דוגמה בה ניתן ללכוד רק שלושה פולסים צרים בקצב הדגימה המקסימאלי של האוסילוסקופ. אולם מה אם עליך ללכוד ולהשוות 100 פולסים עוקבים או פרצים של פעילות אותות… או אולי 1000 פולסים עוקבים או מנות סדרתיות?
אם עליך ללכוד פרק זמן ארוך יותר ויותר מנות סדרתיות תוך כדי דיגיטציה בקצב דגימה גבוה, אזי אפשרות אחת הינה פשוט לרכוש אוסילוסקופ עם זיכרון עמוק יותר. לרוע המזל, רכישת אוסילוסקופ עם גיגה בתים של זיכרון רכישה עשויה להיות אופציה יקרה. אולם אם האותות שעליך ללכוד מציגים זמנים ארוכים של “מנוחה” בין סגמנטים חשובים של צורות גל, כגון פולסים של מחזורי פעולה נמוכה או פרצים של מנות נתונים סדרתיות, אזי שימוש באוסילוסקופ עם רכישת זיכרון מקטעי עשויה להיות פתרון חסכוני יותר.
רכישה של זיכרון מקטעי יכולה להגדיל את זמן הרכישה הכולל של אוסילוסקופ על ידי חלוקת זיכרון הרכישה הזמין של האוסילוסקופ למקטעי זיכרון קטנים יותר. לאחר מכן האוסילוסקופ יבצע דיגיטציה סלקטיבית של החלקים החשובים של צורת הגל הנבדקת בקצב דגימה גבוה כמוצג בתרשים 2. זה מאפשר לאוסילוסקופ שלך ללכוד צורות גל single-shot עוקבות רבות עם זמן חימוש מחדש (re-arm) מהיר מאוד – בלי להחמיץ מידע חשוב על אותות.
לאחר שבוצעה רכישת זיכרון מקטעי, הינך יכול לצפות בקלות בכל צורות הגל שנלכדו ערוכות בתצוגה של הימשכות אינסופית, כמו גם לבצע גלילה מהירה של כל סגמנט אינדיבידואלי של צורת גל. ובמקרה של יישומי אפיק סדרתי (serial bus) האוסילוסקופ אף מספק אוטומטית פענוח פרוטוקול של כל מנה/סגמנט שנלכדו. למרות שרוב זמני הסרק/מנוחה בין כל סגמנט אינם נלכדים, האוסילוסקופ מספק תג זמן עבור כל סגמנט כך שאתה יודע את הזמן המדויק בין כל פולס, כל פרץ (burst), או כל מנה סדרתית (serial packet) שנלכדו. יישומי מדידה נפוצים עבור סוג זה של רכישת אוסילוסקופ כוללים מדידות פיסיקה של אנרגיה גבוהה, מדידות פולסים של לייזר, מדידות פרצי רדאר, ומדידות אפיק סדרתי מבוסס מנות (packets). אנו נראה ראשית שתי דוגמאות “קלאסיות” של שימוש ברכישת זיכרון מקטעי כדי ללכוד סדרה של פולסי לייזר בעלי מחזור פעולה נמוך מאוד, כמו גם של פרצי רדאר. לאחר מכן נראה דוגמה של “ילד חדש בשכונה” ומה שצריך להיחשב כיישום יותר נפוץ – אולם פחות מובן – של רכישת זיכרון מקטעי: לכידה רציפה וסלקטיבית של מנות של פעילות אפיק סדרתי.

יישומי פיסיקה של אנרגיה גבוהה ופולסים של לייזר
אחד מהיישומים היותר מסורתיים עבור רכישת זיכרון מקטעי באוסילוסקופ הינה ללכוד פולסים חשמליים הנוצרים על ידי ניסויים של פיסיקה של אנרגיה גבוהה (HEP, High Energy Physics), כגון לכידה וניתוח של פולסי לייזר.
תרשים 3 מציג רכישת זיכרון מקטעי של 300 פולסים רציפים של לייזר עם רוחב פולס של 3.3 נאנו שניות בקירוב, וזמן הפרדת פולס של  בערך 12 מיקרו-שניות. כל 300 הפולסים שנלכדו מוצגים בצבע האפור של הימשכות אינסופית, בעוד שהסגמנט הנוכחי שנבחר מוצג בצבע שנבחר עבור הערוץ (צהוב עבור ערוץ 1). שים לב לכך שהפולס השלוש מאות שנלכד הופיע בדיוק 3.62352380 מילי-שניות אחרי הפולס הראשון כמצוין על ידי תג הזמן של הסגמנט המוצג באזור השמאלי התחתון של תצוגת האוסילוסקופ. עם דגימת אוסילוסקופ של 4GSa/s, לכידת כמות כזו של זמן הייתה דורשת 14 מגה נקודות של זיכרון רכישה קונבנציונלי. אולם אם פולסי הלייזר הללו היו מופרדים על ידי 12 מילי-שניות, אזי הכמות של זיכרון הרכישה הקונבנציונאלי הנדרשת ללכוד 3.6 שניות של זמן רכישה רציף (300 X 12 מילי שניות = 3.6 שניות) הייתה מעל 14 גיגה נקודות. לרוע המזל, אין כרגע בשוק אוסילוסקופים המציעים כמות גדולה כזו של זיכרון רכישה. אולם מכיוון שזיכרון מקטעי לוכד מקטע קטן וסלקטיבי של זמן סביב כל פולס תוך כדי הפסקת הדיגיטייזרים של האוסילוסקופ בזמני הסרק של האות, אוסילוסקופי InfiniiVision של Agilent יכולים ללכוד בקלות כמות כזו של מידע באמצעות 8 מגה-נקודות בלבד של זיכרון, וברמת מחיר הרבה יותר הגיונית.
יישום דומה נוסף של פיסיקת אנרגיה גבוהה כולל מדידה של צורות אנרגיה ופולסים של אותות הנוצרים מחלקיקים תת-אטומיים המרחפים סביב טבעת האצה (פיסיקת חלקיקים). בהנחה שחלקיקים תת-אטומיים נורו סביב טבעת האצה של 3 קילומטר במהירות הקרובה למהירות האור (299,792,458 מטרים לשנייה), פולסים חשמליים שנוצרו בגלאי יחיד במיקום כלשהו לאורך הטבעת בת 3 הקילומטר יופיעו בערך כל 10 מיקרו-שניות. עם רכישת זיכרון מקטעי, פולסים עוקבים הנוצרים על ידי החלקיקים התת-אטומיים ניתנים בקלות ללכידה, השוואה וניתוח עם תיוג זמנים מדויק.

יישומים של פרצי רדאר וסונאר
יישום נוסף אשר דורש לעיתים קרובות רכישת זיכרון מקטעי באוסילוסקופ הינו מדידת פרצי רדאר או סונאר. תרשים 4 מציג דוגמה של לכידת 725 אותות פרצי RF עוקבים של 50MHz. לעיתים קרובות זה הכרחי לא רק להשוות את האותות שנשלחו ושנקלטו, אלא גם להשוות ירידה באיכות האות מאותות הד. בנוסף, סוגים אלה של יישומי פרצי RF אף דורשים תיוג זמנים מדויק על מנת לחשב במדויק מרחקים. מרחקים וזמנים בין פרצים (bursts) עשויים להיות לעיתים קרובות גדולים מאוד בין פרצים, כמו למשל כאשר מנתחים תקשורת לווין. אם לווין ממוקם במרחק 100 מילים (כ-161 קילומטרים) בחלל מתחנת שידור/קליטה בכדור הארץ, זמן הד רדאר (מסלול הלוך ושוב של מעל 200 מילים, כ-322 קילומטר) יהיה בערך 1.07 מילי-שניות.
תוך שימוש בפרץ ה-RF של  50MHz המוצג בתרשים 4 כדוגמה, 725 פרצים עוקבים המופרדים על ידי 1.07 מילי-שניות ניתנים בקלות ללכידה באמצעות זיכרון מקטעי. לכידה של זמן כה ארוך (775 מילי שניות) באמצעות רכישה קונבנציונלית של אוסילוסקופ ב-1GSa/s הייתה דורשת כמעט 1 גיגה נקודות של זיכרון רכישה.

יישומי אפיק סדרתי
למרות שהן אולי לא נשקלו לפני כן, מדידות אפיק סדרתי מבוסס מנות (packets) הינן תחום יישומים נוסף בו רכישת זיכרון מקטעי יכולה לבצע אופטימיזציה של מספר המנות/מסגרות הסדרתיות אשר ניתן ללכוד באופן רציף על ידי התעלמות סלקטיבית (לא על ידי דיגיטציה) של זמני סרק לא חשובים בין מנות. זיכרון מקטעי יכול אף לשמש ללכידה של מנות/מסגרות שרק נבחרו עם מספר מזהה או כתובת ספציפיים, ולהתעלם מכל המנות האחרות וזמני הסרק של האות. אפיקים סדרתיים נפוצים בהם ניתן להשתמש בזיכרון מקטעי לביצוע אופטימיזציה של מספר המנות/מסגרות שניתן ללכוד כוללים I2C, SPI, RS-232/UART, CAN, LIN, FlexRay, I2S ו-MIL-STD 1553.
כדי להדגים איך רכישת זיכרון מקטעי יכולה לשפר מדידות אפיק סדרתי, נבחן יישום מדידת אפיק CAN של תעשיית הרכב באוסילוסקופ מסדרת 7000B של Agilent. תרשים 5 מציג מדידת אפיק CAN עם האוסילוסקופ מוגדר להיות מופעל בכל תנאי SOF (תחילת מסגרת, Start of Frame). עם שימוש בתנאי ההפעלה (triggering) ועם מצב רכישת זיכרון מקטעי מופעל, האוסילוסקופ לוכד בקלות 1000 מסגרות  CAN (CAN frames) עוקבות במשך זמן רכישה כולל של 2.385 שניות. לאחר רכישת 1000 סגמנטים/מסגרות CAN, אנו יכולים לגלול בקלות דרך כל המסגרות אינדיבידואלית על מנת לחפש אנומליות או שגיאות. בנוסף, אנו יכולים לבצע בקלות מדידות תזמון זמן אחזור (latency) בין מסגרות באמצעות תיוג הזמן של הזיכרון המקטעי.
לאחר לכידת 1000 מסגרות CAN עוקבות בהתבסס על תנאי הפעלה SOF (תחילת מסגרת), אולי אנו רואים משהו מוזר אודות מסגרת ספציפית, למשל זו עם מספר מזהה 07F, ועתה אנו רוצים לנתח את פעילות אפיק ה-CAN הסדרתי, אולם רק כאשר מסגרת 07F נוצרת. אנו יכולים לשנות את תנאי ההפעלה של האוסילוסקופ מהפעלה ב-SOF להפעלה לפי מספר מזהה (ID): 07F על מנת ללכוד סלקטיבית 1000 מופעים עוקבים של מסגרות עם מספר מזהה 07F כמוצג בתרשים 6. בדוגמה זו, האוסילוסקופ לכד טווח זמן של כמעט 20 שניות. שים לב שבתצוגת רשימת הפרוטוקולים/טבלה, לכל מסגרת ישנו אותו מספר מזהה (07F). כמו כן שים לב שהאוסילוסקופ לכד מסגרת שגיאות (error frame) המודגשת באדום במהלך סגמנט מספר 986, אשר הופיעה 18.83 שניות לאחר המסגרת/הסגמנט הראשונים שנלכדו.
השלב הבא בתהליך הניפוי של אפיק CAN סדרתי תוך שימוש ברכישת זיכרון מקטעי עשוי להיות הגדרה של הטווח כדי ללכוד מופעים עוקבים של מסגרות שגיאה בלי קשר למספר המזהה של המסגרת. על מנת לעשות זאת היינו יכולים לשנות את תנאי ההפעלה מהפעלה לפי מסגרת נתונים עם מספר מזהה 07F להפעלה לפי מסגרות שגיאה. אולם מכיוון שמסגרות שגיאה מתרחשות בתדירות נמוכה מאוד, נשנה את מספר הסגמנטים ללכידה מ-1000 ל-100 בלבד.
בתרשים 7 אנו יכולים לראות שהאוסילוסקופ לכד 100 מסגרות שגיאה CAN במשך פרק זמן של כ-12.5 שניות. אנו יכולים לראות ממציג הפרוטוקול שמסגרות שגיאה מופיעות רק במהלך מסגרות עם מספר מזהה 07F, 0BD, 000. כמו כן שים לב כי סגמנט מספר 98, אשר הינו מסגרת עם מספר מזהה 07F ומוצג בתצוגת הזום על צורת הגל, כולל שגיאה צרה ליד סוף המסגרת. אולי השגיאה הזו הינה הגורם האשם, הגורם למסגרות שגיאה להופיע לעיתים במהלך המסגרת עם מספר מזהה 07F.

סיכום
רכישת זיכרון מקטעי אינה צריכה להיחשב יותר כפונקציה מיוחדת של אוסילוסקופים המשמשת ביישומים מיוחדים כגון ניסויי פיסיקה באנרגיה גבוהה. רכישת זיכרון מקטעי הינה זמינה כיום ברבים מאוסילוסקופי האחסון הדיגיטלי של היום. רכישת זיכרון מקטעי מבצעת אופטימיזציה של זיכרון הרכישה הזמין של אוסילוסקופ על מנת להרחיב למעשה את פרק הזמן בו האוסילוסקופ יכול לבצע לכידה בניסיון אחד. וכאשר מצרפים אליו הפעלה (triggering) ופענוח של פרוטוקול אפיק סדרתי, מצב הרכישה הזה יכול לשמש לניפוי יעיל יותר של יישום האפיק הסדרתי שלך.