מדידת קצב עדכון באוסילוסקופ

מאת: בריג אסאי, Agilent Technologies.

הופעת מעבדים חדשים ורכיבי ASIC חדשים ומותאמים אישית, הובילה לאוסילוסקופים שמתהדרים בקצבי עדכון של צורות גל של עד מיליון עדכונים בשנייה. למעשה, המגמה האחרונה היא שקצב העדכון הופך למפרט ספציפי באוסילוסקופ, וכמעט עולה בחשיבותו על עומק זיכרון. אף שמיליון צורות גל בשנייה הוא נתון מרשים, חשוב להבין מהי באמת המשמעות של המפרט כמו גם ההגדרות הנדרשות להשגת קצב עדכון מהיר במיוחד כמו זה. אוסילוסקופ שפועל עם 300,000 צורות גל בשנייה במצב אחד עשוי לפעול עם פחות מצורת גל אחת בשנייה במצב אחר. כמשתמש, חשוב לדעת מה יהיה השימוש של האוסילוסקופ בסופו של דבר. האם האוסילוסקופ פשוט ילכוד נתונים או יבצע בדיקות שוליים דרך מסיכות? האם האוסילוסקופ ישמש ככלי אנליטי מעמיק המפריד ריצודים או יבצע מדידות עין בזמן אמת? האם הנתונים של האוסילוסקופ יורדו למחשב לצורך ניתוח נוסף או שהכול יבוצע בתוך חומרת האוסילוסקופ? שאלות כמו אלה חשובות מאוד כאשר קצב עדכון משמש כקריטריון רציני לרכישת אוסילוסקופ. בעת רכישת אוסילוסקופ, לא מספיק לעיין בגיליונות הנתונים. כדי לקבל החלטה מיודעת, יש להבין למה האוסילוסקופ ישמש ולמדוד את קצב העדכון בהתאם לכך. במילים אחרות, לא כדאי לרכוש אוסילוסקופ תוך התבססות על מפרט של קצב עדכון של מיליון צורות גל בשנייה כאשר בעת השימוש בדגם שלך, האוסילוסקופ יתעדכן בקצב של פחות מעדכון אחד לשנייה.

תרשים 1 אוסילוסקופ 90000 X-Series של Agilent לדיוק מדידה מרבי

תרשים 2 זמן מת מייצג נתונים שהוחמצו

מהו קצב עדכון?
בהגדרה הפשוטה ביותר, קצב עדכון הוא המהירות שבה האוסילוסקופ משיג ומנתח נתונים (ראה תרשים 2). ברכישת אוסילוסקופ, האוסילוסקופ יחפש גורם מפעיל וכאשר הוא מוצא את האירוע, הוא יופעל באמצעותו. לאחר ההפעלה, האוסילוסקופ ישיג את עותק הזיכרון שהוגדר ויעביר את הנתונים בחומרה כגון טרום-מגבר ו-ADC. לאחר מכן הוא מעביר את הנתונים דרך עיבוד אותות דיגיטלי (SDP) כלשהו ולסיום הנתונים מועברים למעבד הליבה כדי לבצע ניתוחים שונים משלו (ראה תרשים 3).
לאחר שהנתונים זורמים דרך התהליך כולו, האוסילוסקופ נטען מחדש, אירוע חדש מופעל והנתונים מושגים מחדש. הקצב שבו אוסילוסקופ מופעל, משיג/מעבד נתונים ולאחר מכן מופעל מחדש הוא קצב העדכון של האוסילוסקופ. בעת סקירת תהליך קצב העדכון, נראה שקצב ההפעלה יכול לשמש לסירוגין עם קצב העדכון. עם זאת, אוסילוסקופים מסוימים יופעלו מספר פעמים כאשר הנתונים מעובדים ויתעלמו מאירוע מופעל חדש, וכך קצב ההפעלה שונה מקצב העדכון של האוסילוסקופ. ככל שקצב העדכון מהיר יותר, כך אירועים רבים יותר נלכדים ומנותחים על ידי האוסילוסקופ (אין זה אומר בהכרח שנתונים רבים יותר מעובדים).

תרשים 3 זרימת נתונים בין רכישות

טבלה 1 ההשפעה של עומק זיכרון על קצב עדכון כפי שנמדדה ב-Infiniium 90000 X-Series

כיצד למדוד קצב עדכון כדי למדוד קצב עדכון, דרוש לך פשוט מונה שיהיה מהיר מספיק כדי לשמור על הקצב בהתאם לקצב העדכון של האוסילוסקופ. המונה צריך להיות מהיר פי שניים או שלושה מהמהירות שבה האוסילוסקופ מעדכן. כדי למדוד קצב עדכון, יש לפעול בהתאם לנוהל הבא:
1. מצא את תפוקת TRIG OUT של האוסילוסקופ. אוסילוסקופים מסוימים משתמש ב-AUX OUT שלהם, ואילו אחרים משתמשים ב-TRIG OUT.
2. אם האוסילוסקופ משתמש ב-AUX OUT, שנה את הגדרת AUX OUT כך שתהיה TRIG OUT. ניתן בדרך כלל למצוא הגדרה זו בתפריט ההעדפות של המשתמש.
3. חבר את TRIG/AUX OUT של האוסילוסקופ למונה החומרה.
4. חבר מקור צורת גל לאוסילוסקופ. רוב המקורות יפיקו אותות בקצב השונה ממה שהאוסילוסקופ יכול ללכוד. למדידת קצב העדכון, השתמש בגיליון הנתונים של המקור כדי לוודא שהוא מהיר יותר מהאוסילוסקופ.
5. קלוט צורות גל באוסילוסקופ ואפשר את המונה.
6. התאם את האוסילוסקופ למדידה שברצונך למדוד (למשל, אפשר את בדיקת המסכה).
7. רשום את המדידה של המונה.
8. התאם את האוסילוסקופ להגדרת המדידה הבאה שיש לבדוק וחזור על שלבים 6 ו-7.
כדי להעריך קצב עדכון במלואו, יש לדעת שקצב עדכון משתנה כפונקציה של עומק זיכרון באוסילוסקופ. לפיכך, עליך לרשום את קצב העדכון של עומקי זיכרון שונים. במידת האפשר, בצע מדידה בכל ההגדרות של האוסילוסקופ שיהיו בשימוש. כך תבטיח את התמונה המלאה ביותר.
היכן מתחילות המגבלות
נכון לשלב זה, מיליון צורות גל בשנייה נחשב לקצב העדכון המהיר ביותר באוסילוסקופ בזמן אמת. עם זאת, באוסילוסקופ עם רוחב פס הגדול מ-1 גה”צ, אף אוסילוסקופ לא משיג יותר מכמה אלפי צורות גל בשנייה אלא אם הוא במצב מיוחד. כמו כן, קצב העדכון של כמה אלפי עדכונים בשנייה לא מושג במהלך שימוש טיפוסי באוסילוסקופ עם ביצועים גבוהים. קצב עדכון אופייני יותר מתקרב לעדכון אחד בשנייה. מה הסיבה לכך? משתמשים של אוסילוסקופ עם ביצועים גבוהים נוטים להשתמש באוסילוסקופ לביצוע ניתוח עמוק. ככל שהאוסילוסקופ מבצע יותר ניתוחים, כך הוא מעדכן לאט יותר כיוון שהאוסילוסקופ נושא בעומס העיבוד, מה שגורם למעבד ולתוכנה להגביל את קצב העדכון. ניתוח עמוק דוחף ספקי אוסילוסקופים להשתמש במעבדים מתוחכמים עם ג’יגה-בתים רבים של RAM. גם עם מעבדים מהירים, העיבוד עדיין ישתלט על מהירות ההשגה של האוסילוסקופ.
את קצבי עדכון של אוסילוסקופ ניתן להאט במספר אופנים. מדידות כגון זיכרון עמוק, ניתוח פרוטוקול, ביטול הטבעה, האחדה והפרדת ריצודים הן רק חלק מרשימה ארוכה מאוד של גורמים המהווים צוואר בקבוק בקצב עדכון. משתמש יכול להתחיל עם קצב עדכון של שלושת-אלפים צורות גל בשנייה ב-1kpts של נתונים. ייתכן שהמשתמש ירצה לראות את הנתונים עם 10Mpts, מה שמאט את קצב העדכון בפקטור של 100 ומשמעותו שקצב העדכון הוא כעת שלושים צורות גל בשנייה.
המשתמש רשאי להפעיל שחזור שעון (שמאלץ את התוכנה לעקוב אחר כל קצה שעון בצורת הגל) ולמדוד את שגיאת מרווח הזמן של צורת הגל. כעת האוסילוסקופ מעדכן בקצב של שלוש צורות גל בשנייה. לסיום, המשתמש יכול לרצות להפריד ריצודים לרכיבים אקראיים ותקופתיים. קצב עדכון שהיה בעבר 3000 צורות גל בשנייה הואט כעת לעדכון פעם ב-5 שניות. מובן, קצב העדכון פעם ב-5 שניות הוא דוגמה המבוססת על האוסילוסקופ של ספק אוסילוסקופ אחד. אוסילוסקופ של ספק אוסילוסקופ אחר המבצע אותה מדידה עשוי לדרוש יותר מעשרים שניות.

תרשים 4 תפריט השגה של אוסילוסקופ טיפוסי

השוואה בין קצבי עדכון
שגיאה נפוצה שמבוצעת במהלך השוואת קצבי עדכון היא שלא מבטיחים שההגדרות באוסילוסקופ אחד זהות לאלה שבאוסילוסקופ אחר. לדוגמה, סדרת Agilent Infiniium של אוסילוסקופים מגיעה כברירת מחדל עם אינטרפולציה מופעלת. אינטרפולציה היא מסנן המשתמש במתמטיקה כדי להבטיח שהקצוות מתוארים כראוי על ידי הגדלה בעיקר של קצב הדגימה בפקטור של שש-עשרה (יש לציין שאינטרפולציה אינה דגימת-יתר). כאשר אינטרפולציה מופעלת, האוסילוסקופ פועל לאט יותר כיוון שהאוסילוסקופ מציג פי שישה-עשר נקודות בהשוואה למצב שבו האינטרפולציה לא פועלת. על ידי הפעלת אינטרפולציה כברירת מחדל, Agilent מחליפה מהירות של קצב העדכון בדיוק המדידה. ספקים אחרים בוחרים לכבות את האינטרפולציה כברירת מחדל. פשוט על ידי שינוי הגדרת ברירת מחדל זו בין ספקי אוסילוסקופים, המדידות של קצב העדכון שגויות כעת ומוטות לטובת הספק שהגדיר אינטרפולציה כבויה כברירת מחדל. דוגמה נוספת להבדלים שעשויים להשפיע על נכונות המדידה היא האופן שבו נעשה שימוש בפועל בזיכרון במהלך המדידה. למשל, אם משווים קצב עדכון עין בזמן אמת, ככל שהזיכרון עמוק יותר, כך מרווחי יחידה (UI) רבים יותר נלכדים בהפעלה יחידה. אוסילוסקופים מסדרת Infiniium של Agilent משתמשים בכל עומק הזיכרון הנבחר במדידות העין בזמן אמת (ראה תרשים 4).

תרשים 5 תפריט השגה המציג גם MAX MEMORY (זיכרון מרבי) וגם נקודות דגימה מרביות

ספקים אחרים משתמשים בבסיס הזמן של האוסילוסקופ כדי לבחור את עומק הזיכרון. אף שניתן לבחור “MAX MEMORY DEPTH” (עומק זיכרון מרבי) של 50Mpts, אם בסיס הזמן בהגדרה מהירה יותר, העין בזמן אמת מודדת רק כמה אלפי נקודות בכל השגה. המשמעות היא ללא ספק קצבי עדכון מהירים ולרוע המזל, מדידה לא נכונה.
הדוגמה האחרונה למשהו שיכול להשפיע על מדידת קצב עדכון היא ריצוד ההפעלה. לכל ספקי האוסילוסקופים יש הגדרות שממזערות את ריצוד ההפעלה בנקודת ההפעלה. באוסילוסקופ מסדרת Infiniium של Agilent מצב זה נקרא הגדרה נטולת ריצוד. בעיקרון, אוסילוסקופים של Agilent לעולם לא מכבים את ההגדרה נטולת הריצוד, ומבטיחים ריצוד מינימלי ומקסום הדיוק של המדידה. עם זאת, אי הפעלה של הריצוד תאיץ את האוסילוסקופ. ספקי אוסילוסקופים אחרים גורמים למשתמש להפעיל את ההגדרה “נטולת ריצוד”. בדרך כלל ניתן למצוא מצב זה בתפריט ההפעלה של האוסילוסקופ.
כדי לאפשר השוואות אמתיות של קצב העדכון, ודא ששלוש ההגדרות לעיל זהות בין אוסילוסקופים שונים בעת ביצוע המדידות.
מסקנה
במהלך החודשים האחרונים נכתבו מילים רבות על המפרט של קצב עדכון. גיליונות נתונים יראו את קצב העדכון המהיר ביותר של האוסילוסקופ (למשל, Agilent Infiniium 90000 X-Series מראה את קצב העדכון במצב מקוטע), אך אין זה קצב העדכון שמשתמש האוסילוסקופ ייתקל בו בדרך כלל. קצב העדכון משפיע על חוויית המשתמש ועל ביצועי העבודה כיוון שקצבי עדכון איטיים פירושם שניתן לסיים פחות עבודה. למרבה המזל, מדידת קצב עדכון היא תהליך פשוט ודורשת חומרה מועטה מאוד. באמצעות ההבנה כיצד למדוד קצב עדכון והבטחת השוואה אמתית של מכשירים מאותו סוג משתמשים יכולים לכלול קצב עדכון כנקודה חשובה בהחלטת הרכישה.