Joel Woodward, senior product manager and Brig Asay high performance scope product manager från Agilent Technologies analyserar här vad som skiljer realtids- och samplingsoscilloskop och hur skillnaderna påverkar möjligheterna att mäta.

Under min första tid som ingenjör arbetade jag med ett projekt som undersökte karaktären av ljusöverföring genom optiska fibrer av D-typ när fibrerna var nedsänkta i ett syrabad under flera timmar. Jag blev glatt överraskad när jag fann ett nytt oscilloskop som inte användes och lade beslag på det för mitt arbete. Utan att tidigare skrivit dataprogram för att styra och analysera mätningar med oscilloskop, började jag omedelbart arbeta med det nya oscilloskopet.
Efter två veckors arbete med att utveckla testfixturer och skriva programvara, började jag stöta på oväntade problem när jag körde mina första tester. Eftersom den här typen av arbete var nytt för mig bad jag om hjälp av en erfaren ingenjör. Hans första fråga var “varför i hela världen använder du ett samplingsoscilloskop för det här experimentet?” Frågan slog mig med förvåning. Jag började undra ”Vilken skillnad är det mellan ett samplingsoscilloskop och ett realtidsoscilloskop?” och “För vilka olika applikationer är de ägnade och i vilka fall överlappar applikatioenrna varandra?”.

DSO och MSO
Realtidsoscilloskopen kallas numera ofta DSOer eller MSOer (digitala minnesoscilloskop eller oscilloskop för blandade signaler). De flesta oscilloskop som säljs idag är realtidsoscilloskop.
Realtidsoscilloskopen säljs med bandbredder inom området från några få MHz till tiotals GHz och kan köpas för bara ett par hundra dollar eller upp till några hundratusen dollar. Samplingsoscilloskopen, som ofta kallas DCAer (digital communication analyzers) har ofta en bandbredd som ofta börjar på några tiotals GHz och används främst för att analysera seriella bussar med höga hastigheter, optiska enheter och klocksignaler. Samtidigt som bandbredderna fortsätter att växa börjar samplingsoscilloskopen och realtidsoscilloskopen överlappa varandra på allt fler applikationsområden.
Digitaliseringssättet för de båda oscilloskoptyperna är i stort sett detsamma. Ingångssignalen passerar genom oscilloskopets ingångskrets för signalkonditionering, digitaliseras, lagras i minnet för att sedan visas på skärmen. Däremot är den bakomliggande tekniken högst olika för de båda oscilloskoptyperna.

Realtidsoscilloskop
Hur fungerar realtidsoscilloskopen? Realtidsoscilloskopet innehåller ASIC-triggrar som ger användaren möjlighet att definiera särskilt intressanta händelser, t ex ett stigande tröskelvärde för spänning, inställningstid och hålltid för blockering eller en mönstertriggning. I deras normalläge för datainsamling kommer oscilloskopet, när dess triggningskrets identifierar en sådan händelse, att ta hand om och lagra efterföljande samplingspunkter och uppdatera skärmen med insamlade data.
Realtidsoscilloskop kan köras antingen i engångssvep eller i repetitivt läge. I engångssvep insamlar oscilloskopet objekt som saknas och visar en enda insamling av en följd av värden som bestäms av minnesdjupet och samplingshastigheten som ställts in för oscilloskopet. Användaren kan panorera och zooma för varje intressant händelse som insamlats efter det att oscilloskopet är färdigt med en engångsspårning. I körläge fortsätter oscilloskopet att samla in och visa alla villkor som stämmer överrens med oscilloskopets triggningsdefinition.
Varierande eller ständig efterlysning ger möjlighet till fortlöpande signalinsamling som läggs ovan originalsignalen. Repetitivt läge används oftast eftersom det ger en ständigt aktuell bild av mätobjektet.
Mätningar av stigtid eller pulsbredd och matematiska analyser eller FFT-analyser kan utföras antingen i engångssvep eller för en period av repetitiv datainsamling. De flesta av realtidsoscilloskopen under bandbredden 6 GHz innefattar både 1 MOhm- och 50 MOhm- ingångssignaler, vilket gör att de kan användas med en mängd olika prober och kablar.
Realtidsoscilloskopen definieras med tre nyckelspecifikationer som innefattar bandbredd, samplingshastighet och minnesdjup. Naturligtvis finns det många viktigare specifikationer som måste beaktas när man ska välja realtidsoscilloskop.
Ett oscilloskop med stort minnesdjup har följande tre viktiga fördelar:
* Stort minnesdjup tillåter ett längre tidsfönster för att samla in data med en viss samplingshastighet. Minnets storlek bestämmer hur många samplingar som kan lagras per datainsamling och bestämmer därmed också tidsfönstret för inhämtningen. Ju fler samplingar som kan fås vid en engångsdatainsamling desto större sannolikhet för att en ovanlig händelse inträffar under datainsamlingen.
* Stort minnesdjup ger användaren möjlighet att bibehålla en hög samplingshastighet under kortare tidsbaser för noggrannare mätresultat. Med t.ex. ett minne på 10 Mpts och en samplingshastighet på 10 GSa/s kommer en horisontalinställning på 1 us/sek att utnyttja 1 Gpt data (detta är en absolut gräns för många av dagens oscilloskop). Om användaren övergår till en tidsbasinställning på 10 us/div kommer oscilloskopet att sampla vid 1/10th av originalhastigheten för att göra insamlingen under samma tidsfönster. Men ett oscilloskop med minnet 100 Mpts skulle fortfarande kunna ge användaren möjlighet att behålla den snabba samplingshastigheten 10 GSa/s under insamlingen inom hela tidsfönstret på 20 us.
* Ett stort minnesdjup ger noggrannare statistiska mätningar och beräkningar. Sett över ett stort antal gränser för stigtidsavvikelser, FFTer och jitter-mätningar gynnas alla datainsamlingar av större minnesdjup.

Samplingsoscilloskop
Hur fungerar samplingsoscilloskopen? Samplingsoscilloskopen är unikt konstruerade för att inhämta, visa och analysera repetitiva signaler. Triggningsmöjligheterna är också viktiga för repetitiva signaler. Ett samplingsoscilloskop samlar in en uppsättning signaler som inte ligger i följd efter varandra i tiden, när den identifierar sitt första triggvillkor. Oscilloskopet fördröjer triggpunkten, samlar in nästa uppsättning punkter och visar dem på oscilloskopets skärm, tillsammans med den första uppsättningen punkter. Det upprepar den här processen och bygger upp vågformen i en ständigt pågående process med nya insamlade data. En teknisk nyckelkomponent är triggningsinterpolationen som styr tidsupplösningen mellan triggningar för nogranna mätningar. Minnesdjupet är inte ett avgörande eller nödvändigt värde eftersom bara några få punkter samlas in och bearbetas för varje triggning. På samma sätt är samplingshastigheten inte avgörande. Däremot är precisionen i tidsfördröjningen från första triggningsvillkoret till nästa triggningsvillkor avgörande.
Samplingsoscilloskop kontra realtidsoscilloskop
Som tidigare nämnts överskrider nu bandbredden för realtidsoscilloskop 60 GHz och samplingsoscilloskopen har större bandbredd än 90 GHz. Det innebär att för de flesta digitala applikationer är bandbredden inte längre en enkel metod för att avgöra vilken typ av oscilloskop som är rätt val. Med detta i åtanke återstår priset som den viktiga skillnaden. Ett komplett samplingsoscilloskop för 50 GHz kostar mindre än $150 000 USD, medan ett realtidsoscilloskop går på närmare $400,000 USD. En konstruktör måste därför avgöra om den större flexibiliteten för ett realtidsoscilloskop är värd den större kostnaden.

Brus och signal/brusförhållande
Det finns en mängd andra skillnader mellan samplings- och realtidsoscilloskop. Ett samplingsoscilloskop har en 14 bitars A/D-omvandlare och har därigenom ett mycket stort dynamiskt område. Det gör att det kan ta hand om signaler inom området från några få mV till heltalsspänning utan något dämpningsbehov. Därför har samplingsoscilloskopen ett mycket lågt brus vid olika spänningar per divisionsinställning. Realtidsoscilloskopen är begränsade i sitt dynamiska område till 8 bit, men de brukar ha ett effektivt antal bitar på ca 6 bit.
Som ett resultat av det begränsade signal/brusförhållandet måste en dämpare användas för att korrekt visa signaler på spänningen från några få mV till flera volt. Ytterst innebär detta att ett realtidsoscilloskop har högre brus än ett samplingsoscilloskop. Samplingsoscilloskopets lägre brus har lett till att det anses som “guld-standarden” för mätningar. Men realtidsoscilloskopen fortsätter att förbättras och har börjat knappa in gapet för signalintegritet.

Frekvenssvar
En annan sak att beakta när man står i valet mellan ett realtids- och ett samplingsoscilloskop är frekvenssvaret för de båda oscilloskopen. Ett samplingsoscilloskop använder normalt inte korrigering genom digital signalbearbetning, DSP (digital signal processing), och har därigenom ett frekvenssvar som avtar långsamt (dess maskinvarusvar) och liknar mer en Gauss-form. Ett realtidsoscilloskop kan använda DSP och kan därför korrigera sitt frekvenssvar. Agilents DSOX93304Q använder t ex ett rent frekvenssvar inom hela sitt passband, vilket innebär att dess förstärkning inte varierar mer än 1 dB inom hela oscilloskopets frekvens.
Frekvenssvaren i realtidsoscilloskop kan variera. En del försäljare av oscilloskop har upp till fem frekvenssvar, alla med olika karakteristik. Vid en jämförelse sida vid sida av det rena svaret gentemot det gaussiska svaret, framstår de två mätresultaten som enormt olika. T ex kan ett gaussiskt avtagande påverka en mätning och lägga till intersymbolinterferens. Ett rent svar som avtar snabbt kan visas som en inringning i dess svar, om en signal är snabb nog att gå bortom oscilloskopets bandbredd. I vart fall måste man förstå hur maskinvaran kan påverka mätningarna.

Skillnader i klockåtervinning

Fig 1. Samplingsoscilloskop erbjuder liksom realtidsoscilloskop ögondiagram, histogram och jittermätningar. I tillverknignsmiljö där man söker högre bandbredd och moduluppbyggnad passar samplingsoscilloskop, som kan fås till lägre pris, bättre än realtidsoscilloskop.

Fig 2. Realtidsoscilloskop kan nu ge bandbredder upp till 63 GHz. I applikationer för jittreranalys inom forskning och utveckling är gränsen mellan samplings- och realtidsoscilloskop inte längre lika tydlig.

Klockåtervinning är en nyckelkomponent vid mätningar med oscilloskop. Klockåtervinning gör det möjligt att skapa ett realtidsöga, masktestning och jitter-separering. I huvudsak är en återvinningsklocka en referensklocka som används vid jämförande mätningar.
Tills nyligen förlitade sig samplingsoscilloskopen helt på maskinvara som återvinningsklocka. Som ett resultat, oavsett om klockan var en explicit klocka eller en intern 10 MHz-klocka skapad av samplingsoscillatorn själv, inträffade ofta fel i återvinningssystemet. Detta är inte längre fallet eftersom Agilent samplingsoscillator nu kan erbjuda ett programvarubaserat klockåtervinningssystem, vilket är idealiskt för noggranna klockåtervinningar.
Realtidsoscilloskopen använder nästan alltid en programvarubaserad återvinningsklocka, men de har tilläggsfunktionen att kunna använda explicit klockning. Återigen är fördelen med programvarubaserad klockåtervinning att den inte är benägen att ha maskinvarufel utan sätter gränsen där den måste sättas, oavsett datahastigheten.
Utöver skillnaden mellan maskinvarubaserad och programvarubaserad klockåtervinning måste man beakta vilken algoritm klockåtervinningen använder. Typiska samplingsoscilloskop använder en jitter-överföringsfunktion (JTF) medan realtidsoscilloskopen använder en OJTF. OJTFen klipper bort mer lågfrekventa jitter än ett JTF. Följden blir att man ser markant färre låga jitter på ett realtidsoscilloskop än på ett samplingsoscilloskop. Antalet kan återställas genom att helt enkelt ändra båda oscilloskopen till att ha samma överföringsfunktion, vilket nu är möjligt tack vare de nya förbättringarna i samplingsoscilloskopen. Detta gör jitter-jämförelser betydligt enklare.

När använda samplings- eller realtidsoscilloskop?
Historiskt sett har samplingsoscilloskop haft en faktor tio bättre egenskaper fraför realtidsoscilloskop i fråga om maximal bandbredd och inre jitter. Men under de senaste tio åren har realtidsoscilloskopen avsevärt knappat in försprånget. Det innebär att användare som testar transceiverstationer måste välja om de ska använda ett realtids- eller ett samplingsoscilloskop.
Samplingsoscilloskopet har fortfarande lägre jitter och ett mycket högre dynamiskt område som gör det idealiskt för karaktärisering i kontrollerade miljöer. Under förutsättning att din signal är repeterbar eller kan samlas in med ett realtidsöga, ger samplingsoscilloskopet en sann bild av din signal.
Realtidsoscilloskopets flexibilitet gör det tilltalande. Om användaren arbetar med felsökning och vill trigga på händelser som är svåra att hitta är realtidsoscilloskopet idealiskt.
Användare av realtidsoscilloskop kan välja bland mängder av applikationer för att kontrollera överensstämmelse med standarder och direktiv, protokolltriggning och avkodning samt analys. Realtidsoscilloskopen kan även mäta jitter i engångs-datainsamlingar, vilket gör det väldigt bra för analyser av grundorsakerna till fel. De flesta metoder för standardimplementeringar använder realtidsoscilloskop även för sändartester, vilket innebär att användaren kan behöva använda ett realtidsoscilloskop för att säkerställa att dess enheter är “lämpliga.”

Välj det som passar bäst
För de flesta oscilloskopapplikationer passar realtidsoscilloskopen utmärkt. Dessa oscilloskop finns med olika bandbredd, inklusive möjligheten att samla in både engångssvep och repetitiva signaler, och de har krympt gapet för högfrekvsmätningar som karaktärisering av jitter och sändare.
Om din applikation innehåller en repetitiv vågform som kräver lågt jitter och ett högt dynamiskt område, är ett samplingsoscilloskop ett bra val. Samplingsoscilloskop har också fördelen med en låg initialkostnad. Moduluppgraderingar gör dem väl lämpade för applikationer för elektriska och optiska tillverkningstester. Om du arbetar med frekvenser över 20 GHz och är osäker på vilken typ av oscilloskop du bör välja, är en bra strategi att kontakta en oscilloskopförsäljare som handhar både samplings- och realtidsoscilloskop. De är ömsesidigt intresserade av att det oscilloskop du väljer passar dina behov, till skillnad från en försäljare som enbart säljer realtidsoscilloskop eller har ett begränsat utbud av samplingsoscilloskop.

Filed under: Matteknik