זיכרון הרכישה של האוסילוסקופ – מעבר למפרט עצמו

מאת: Richard Markley, Agilent Technologies . זיכרון הרכישה של האוסילוסקופ הוא מאפיין חשוב בכל אוסילוסקופ דיגיטלי, אך מספר גבוה לא בהכרח מעיד על אוסילוסקופ טוב יותר. למרות שאמירה זו נוגדת את האינטואיציה, מבט מקרוב על הארכיטקטורה של האוסילוסקופ יכול להסביר מדוע זיכרונות מסויימים יכולים להיות טובים ושימושיים יותר מאשר אחרים.

ארכיטקטורות הזיכרון וקצב העדכון של האוסילוסקופים
באופן כללי, יש שני סוגים של ארכיטקטורות של אוסילוסקופים. בסוג המסורתי יותר, מערכת מחשב ממלאת את התפקיד החשוב בעיבוד והצגת המידע שאותו קולט האוסילוסקופ. בעוד שחלק מהיצרנים משתמשים בשמות נוצצים לארכיטקטורה כזו, או מצבי הפעלה מיוחדים שעשויים לעזור להם להפחית בחשיבותם של חלק מהחסרונות, הבעיה העיקרית בשימוש במערכת מחשב במסגרת הנתיב הקריטי בהצגת אורכי הגל עדיין נשארת. הארכיטקטורה השנייה מתייחסת לחסרון זה על ידי הסרת מערכת המחשב מהנתיב הקריטי. במקום להשתמש במערכת מחשב שממלאת תפקיד חשוב בעיבוד ובהצגת אורכי הגל, פעולה זו נעשית על ידי מעגל משולב מותאם (ASIC). באוסילוסקופ החדש של Agilent מסדרת InfiniiVision 4000 X, מעגל מותאם זה נקרא “MegaZoom IV”.
באיור 1 ניתן לראות ארכיטקטורת אוסילוסקופ מסורתית המשתמשת במחשב. באופן כללי, מהנדסים רבים מתמקדים “בקצה הקדמי” האנלוגי של האוסילוסקופ, ובצדק. הקצה הקדמי האנלוגי, יחד עם הממיר אנלוגי לדיגיטלי (ADC) של האוסילוסקופ, קובע את רוחב הפס שלו. הרכיב החשוב הבא הוא מנהל זיכרון הרכישה וזיכרון הרכישה עצמו. לבסוף, מערכת התווין (Plotter) היא אחד מההיבטים החשובים ביותר באוסילוסקופ, אך היא גם אחד מההיבטים שמייחסים לו הכי פחות חשיבות. במערכת מבוססת מחשב, רישום אורך הגל נעשה לרוב על ידי מעגל FPGA או מערכת הגרפיקה של המחשב עצמו. בנוסף, לפני שאורך הגל אפילו מגיע אל התצוגה של האוסילוסקופ, ניתן לחזור למחשב על מנת לבצע עיבודים נוספים כגון מדידות אוטומטיות ו/או קידודי אפיק טורי (serial bus decoding). מאחר ובעקרון המחשב משמש כשער למידע, שבסיכומו של דבר מגיע אל התצוגה של האוסילוסקופ, יכולה להיות לו השפעה גדולה על מאפיין שנקרא “קצב עדכון”.
קצב העדכון הוא המהירות שבה האוסילוסקופ מבצע את ההפעלה (trigger), מעבד נתונים שנקלטו ומאוחסנים בזיכרון הרכישה ובסופו של דבר מציג את הרישום בתצוגה. ככל שפעולה זו ארוכה יותר, כך קצב העדכון איטי יותר. לעתים קוראים להיפוך של קצב העדכון בתור “זמן מת”.
קצב העדכון, במיוחד באוסילוסקופ שמשמש לניפוי שגיאות (debug) ופתרון תקלות, הוא מאפיין חיוני. ככל שקצב העדכון מהיר יותר, כך גבוהים יותר הסיכויים שהאוסילוסקופ יקלוט אירוע חריג. בנוסף, קצב עדכון קשור בקשר הדוק למהירות התגובה של האוסילוסקופ. אם אי פעם סובבתם את הכפתור באוסילוסקופ שלכם וחוויתם עיכוב לפני שהוא ביצע את הפעולה הרצויה, ראיתם בעצמכם כיצד ארכיטקטורה מבוססת מחשב יכולה להאט את מהירות התגובה של האוסילוסקופ.
למרות שיותר יקר ומורכב לתכנן אותה, לארכיטקטורה שמשתמשת במעגל ASIC מותאם בתור מערכת ניהול זיכרון ורישום אורך גל יש יתרונות רבים. באיור 2 ניתן לראות דוגמה לארכיטקטורת MegaZoom IV של Agilent, בה משתמשים באוסילוסקופ החדש מסדרת X ‏4000.
באמצעות הוצאת מערכת המחשב מהנתיב הקריטי להצגת אורכי גל, ניתן להיפטר מהרבה פשרות וויתורים שעושים בארכיטקטורות מבוססות מחשב. מעגל ASIC מותאם זה חיוני אם רוצים להשיג את קצב העדכון של האוסילוסקופ מסדרת X ‏4000 שמאפשר לקלוט 1,000,000 אורכי גל בשנייה, כמעט פי 20 מהקצב של האוסילוסקופים המתחרים ברמה זו. אבל, היתרון הוא מעבר למפרט של קצב העדכון. הודות לשילוב בין זיכרון הרכישה, מנהל הזיכרון והתווין במעגל ASIC, אוסילוסקופ זה הוא בעל מהירות תגובה גבוהה מאוד וקצב עדכון ללא פשרות. קצב עדכון ללא פשרות הוא מאפיין חיוני באוסילוסקופ שמשמש בעיקר לניפוי שגיאות בתכנון. אין דבר שהוא יותר מתסכל מאשר הפעלת הגדרה חדשה, וכתוצאה מכך שינוי אופן הפעולה של האוסילוסקופ, במיוחד בכל הקשור ל”ראיית” בעיה על גבי המסך.
למשל, לחלק מהאוסילוסקופים יש קצב עדכון מהיר יחסית כאשר משתמשים בהם במצבי הפעלה מסוימים. לאוסילוסקופים אחרים ברמה של האוסילוסקופ מהסדרה החדשה – X ‏4000 של Agilent יש מהירות של 55,000 אורכי גל בשנייה כאשר משתמשים רק בערוצי הרכישה האנלוגיים. באיור 3 ניתן לראות אוסילוסקופ זה קולט אורכי גל עם הפעלת פונקציית המשכיות (persistence) של שנייה אחת. על ידי שימוש בהגדרה מיוחדת זו, ניתן לראות את הקצה המטאסטבילי בבירור, יחד עם חריגות בצד השמאלי של תצוגת האוסילוסקופ.
אולם, אם מפעילים את ערוצי הרכישה הדיגיטליים של האוסילוסקופ (או האפיק), קצב העדכון המרבי יורד מ-55,000 אורכי גל בשנייה ל-120 אורכי גל בשנייה בלבד. באיור 4 ניתן לראות מה קורה לתצוגה של האוסילוסקופ. לאחר שקולטים עשרים שניות של פעילות אות רציפה עם הפעלת פונקציית המשכיות אינסופית (infinite persistence), אנו לא רואים את החריגה בצד שמאל של התצוגה של האוסילוסקופ, והאוסילוסקופ קולט הרבה פחות פרטים על האות של הקצה הנופל (פחות קליטה של שינויים פתאומיים) בקרבת מרכז התצוגה.
זוהי דוגמה נהדרת לפשרות שמבצעים בארכיטקטורה מבוססת מחשב על קצב העדכון של האוסילוסקופ. אם היינו מפעילים את הערוצים הדיגיטליים, היינו יכולים לחכות דקות עד שעות לקליטה והצגת חריגות שגורמות לדגם לא לפעול.
אם נבדוק את אותו עיצוב שבחנו באמצעות קצב עדכון ללא פשרות של סדרת X‏ 4000, ניתן לראות מיד שהיה חסר לנו מידע כאשר השתמשנו באוסילוסקופ המתחרה, אפילו כאשר הפעלנו אותו בקצב העדכון המהיר ביותר של 55,000 אורכי גל בשנייה. באיור 5 ניתן לראות את התצוגה של האוסילוסקופ מסדרת X ‏4000 אחרי שנייה אחת בלבד של המשכיות. לא רק שרואים בבירור את הקצה המטאסטבילי, אלא כעת גם ניתן לראות את החריגה מצד שמאל וגם מצד ימין של התצוגה. זהו יתרון מרכזי של קצב עדכון אורכי גל מהיר בהרבה וללא פשרות. קצב זה מאפשר לראות יותר פרטים על האות.
אך מה קורה אם מפעילים את הערוצים הדיגיטליים של האוסילוסקופ של Agilent? באיור 6 רואים את אותו האות עם המשכיות של שנייה אחת בלבד, אך כעת כאשר הערוצים הדיגיטליים פועלים. כפי שניתן לראות, אין שינוי בקצב העדכון של האוסילוסקופ. עדיין ניתן לראות את כל הפרטים של האות בקצה הנופל כפי שראינו קודם לכן, יחד עם חריגות אקראיות ונדירות בשני הצדדים של הפולס.
אז, כיצד כל זה קשור לזיכרון של האוסילוסקופ? ישנו קשר הדוק מאוד בין זיכרון האוסילוסקופ לבין קצב העדכון שלו. במערכת מבוססת מחשב, ככל שמשתמשים ביותר זיכרון, כך המחשב יתאמץ יותר כדי לרשום את המידע. כך למשל, עומק הזיכרון יכול להיות מאפיין חשוב כאשר בוחנים תוכן בתדירות גבוהה, באות בתדירות נמוכה. דוגמה נהדרת לכך היא אות מתפרץ שבו יכול להיות פרץ של תוכן בתדירות גבוהה ולאחריו זמן רב של היעדר אותות לפני ההתפרצות הבאה.
חלק מהסוגים הנפוצים של אותות מתפרצים הם פרצי רדאר או נתונים טוריים המחולקים למנות. אם מסתכלים על אוסילוסקופ מתחרה ברמה של האוסילוסקופ מסדרת X ‏4000, לאוסילוסקופ זה יש מפרט הכולל זיכרון של 20 מגה, 5 פעמים יותר מעומק הזיכרון של האוסילוסקופ מסדרת X ‏4000. אם היינו מסתכלים רק על אחד מפרצי הרדאר (איור 7), היינו רואים פרטים טובים על האות, כיוון שקצב הדגימה של האוסילוסקופ עדיין גבוה.
אולם, פעמים רבות אנחנו צריכים לדעת את המידע לגבי משכי הזמן בין כל הופעה של ההתפרצויות. באיור 8 ניתן לראות התרחקות של האוסילוסקופ לטווח זמנים רחב יותר על מנת לקלוט מספיק מידע להצגת שלוש הופעות ברצף של ההתפרצויות בתצוגה של האוסילוסקופ. אם נבצע רכישה במכה אחת ולאחר מכן נתקרב (איור 9), נראה שאוסילוסקופ זה דגם הרבה פחות מידע בכל התפרצות. מדוע?
הסיבה לכך שהאוסילוסקופ המתחרה דגם הרבה פחות מידע בהתפרצויות היא בגלל שהוא חזר לברירת המחדל לעומק הזיכרון שלו, שהיא רק 10,000 נקודות (1/400 מעומק הזיכרון של האוסילוסקופ מסדרת
X ‏4000). הסיבה שהוא חזר ל-10,000, כאשר יש לו 20 מגה של זיכרון זמין, קשורה ככל הנראה לארכיטקטורה של האוסילוסקופ. כאשר מתחילים להוסיף זיכרון עמוק יותר, מהירות התגובה של האוסילוסקופ וקצב העדכון שלו יורדים מרמה סבירה לרמה כמעט בלתי שמישה.
מנגד, הארכיטקטורה של האוסילוסקופ מסדרת X ‏4000 מוגדרת להתמודדות עם הזיכרון העמוק. ככל שמשנים את הגדרת טווח הזמנים, כך היא תתאים אוטומטית את זיכרון הרכישה למצב המקסימלי, על מנת לשמור על קצב העדכון המקסימלי. באיורים 10, 11 ו-12 ניתן לראות את אותם האותות ממקודם ואת היתרונות של ארכיטקטורת MegaZoom. כיוון שהיא מתוכננת לטפל בזיכרון העמוק ולשמור על מהירות התגובה ועל קצב העדכון המקסימליים, לא תקבלו תוצאות בלתי צפויות.
האם עומק הזיכרון של האוסילוסקופ חשוב? בהחלט. וכפי שציינו בראשית המאמר, בדרך כלל יותר זיכרון פירושו אוסילוסקופ טוב יותר. אך ללא ספק, צריך להבין את הוויתורים והפשרות שעושים בארכיטקטורות זיכרון שונות ולקחת אותם בחשבון כאשר מחליטים מה לקנות.