36л. Анализаторы: логический, спектра, цепей (NanoVNA) и шин

Осциллограф показывает напряжение во времени — и почти обо всём понемногу. Анализатор отвечает на один вопрос, зато лучше. Логический — что сказано на шине: много каналов, долго, только 0 и 1. Анализатор спектра — какие частоты есть в сигнале и насколько они сильны, вплоть до слабой линии рядом с сильной. Анализатор цепей — как антенна, фильтр или кабель отражают и пропускают сигнал на каждой частоте. Анализатор шины — что передано по CAN или USB, включая ошибки, которых программа не видит.

Основы логического анализатора и PulseView — в 36а.6: порог, правило «четыре-пять выборок на бит», разборщики протоколов. Здесь — то, что начинается после них. Запуск осциллографа — 36д, его БПФ — 36е, декодирование шин на осциллографе — 36ж.

Документов на конкретные анализаторы у автора нет. Поэтому приборы описаны по классам: без названий моделей и без чисел из чужих описаний. Исключения два: осциллограф автора RIGOL DHO900 (его документы есть) и общие слова о дешёвых приставках на микросхеме FX2 под sigrok. Все расчётные числа — модели.

Опоры: RIGOL DHO900 Datasheet (Books/dho900-datasheet.pdf; страницы — по PDF-файлу): с. 4 и 9 — 16 цифровых каналов и логический щуп PLA2216, с. 11–12 — цифровые каналы, с. 17 — БПФ, с. 18–19 — декодирование и диаграмма Боде, с. 26 — примечания 6 и 7; DHO900 User Guide (Books/DHO900_UserGuide_EN.pdf): с. 69 и 74 — ограничения, с. 138 — единицы БПФ, с. 177–179 — меню цифровых каналов. Все расчётные числа — прогон _verify/anl36l/model36l.py (Python 3.11 и numpy в контейнере stm-lab:1).

Как это называется в документации

Оригинал	Перевод
sample rate; timing / state analysis	частота выборки; временной режим и режим состояний (выборка по внешнему такту)
memory depth, streaming, RLE	глубина памяти, поток на компьютер, кодирование длинами серий
threshold, hysteresis	порог, гистерезис
protocol decoder, stacked decoder	разборщик протокола, стопка разборщиков
pattern trigger, sequential trigger	запуск по шаблону, многоступенчатый запуск
swept / FFT spectrum analyzer	перестраиваемый анализатор спектра и анализатор на БПФ
RBW, VBW, span, sweep time	полоса разрешения, видеофильтр, полоса обзора, время развёртки
noise floor, DANL; detector	шумовая полка, собственный шум анализатора; детектор
input attenuator, reference level	входной аттенюатор, опорный уровень
near-field probe, pre-compliance	зонд ближнего поля, предварительная проверка ЭМС
SDR, I/Q	программно-определяемое радио, квадратурные отсчёты
VNA; S11, S21	векторный анализатор цепей; отражение и передача
reflection coefficient, VSWR, return loss, mismatch loss	коэффициент отражения Γ, КСВ, обратные потери, потери рассогласования
Smith chart	круговая диаграмма Вольперта–Смита
SOLT calibration, reference plane	калибровка «короткое, холостой ход, нагрузка, проход»; плоскость отсчёта
L-match	Г-образная согласующая цепочка
bus / protocol analyzer, sniffer	анализатор шины, протокольный анализатор, сниффер

36л.1 Логический анализатор: что происходит между выборками

Что это. Логический анализатор сравнивает каждый вход с порогом через равные промежутки и пишет 0 или 1. Между выборками он слеп — поэтому любой момент времени в записи известен с точностью до шага выборки, а импульс короче шага может пропасть.

Модель. Класс дешёвых приставок из 36а.6 — 24 Мвыб/с, шаг 41,7 нс. Сигнал приходит в случайной фазе относительно выборок:

Что из этого следует. Ширина импульса в записи — всегда целое число шагов. Надёжно виден только импульс не короче шага. Измерять времена — с ошибкой до одного шага в каждую сторону. Тактовый сигнал SPI при 24 Мвыб/с годится до 6 МГц (четыре выборки на период); выше — нужен анализатор быстрее или осциллограф.

Режим состояний. Некоторые анализаторы умеют брать выборку не по своему генератору, а по фронту внешнего тактового сигнала — например, по SCK. Тогда в записи — значения шины на каждом такте, а времени нет вовсе. Есть ли такой режим у конкретного прибора — по его документации.

Ошибка. Мерить анализатором длительность импульсов, сравнимых с шагом, и верить третьему знаку. Ширина 50 нс записывается как 41,7 или 83,3 нс — точнее ничего не будет.

36л.2 Память и поток по USB

Две схемы. У одних анализаторов своя память: запись идёт в неё на полной частоте, потом выгружается. Длительность ограничена глубиной: 1 млн выборок на 24 Мвыб/с — 41,7 мс. У других памяти почти нет: каждая выборка сразу уходит потоком на компьютер. Тогда длительность ограничена только диском, зато частоту выборки ограничивает шина.

Поток. 8 каналов на 24 Мвыб/с — 24 МБ/с; 16 каналов — 48 МБ/с. USB 2.0 номинально — 480 Мбит/с, то есть 60 МБ/с, но массовые передачи (bulk) по спецификации укладываются максимум в 13 пакетов по 512 байт за микрокадр 125 мкс — 53,248 МБ/с. 16 каналов на 24 Мвыб/с заняли бы 90,1 % этого потолка — на настоящем компьютере, где на шине есть и другие устройства, это недостижимо. Час записи на 24 МБ/с — 86,4 ГБ.

Приставки на FX2. Дешёвые клоны на микросхеме CY7C68013A (FX2) под sigrok устроены именно так: это контроллер USB 2.0 с маленьким буфером, своей памяти под запись нет, и частота выборки упирается в USB 2.0 и в то, успевает ли компьютер забирать поток. Если не успевает, запись обрывается или теряет куски — как именно, зависит от программы.

Сжатие. Медленные сигналы почти не меняются, и хранить можно не выборки, а длины серий одинаковых значений (RLE). Модель: 1 с UART 115 200 бод, линия занята непрерывно случайными байтами, 24 Мвыб/с — 24,00 млн выборок (24 МБ) дают 63706 серий; по 5 байт на серию (байт состояния и 4 байта длины) это 319 КБ — в 75 раз меньше. Быстрая загруженная шина сжимается плохо, медленная — отлично. Сжимает ли конкретный прибор и в какой момент — по его документации.

Ошибка. Ставить наибольшую частоту выборки на час записи медленного UART: поток упирается в шину, диск заполняется, а для 115 200 бод хватило бы и 1 Мвыб/с (8,7 выборки на бит, 36а.6).

36л.3 Порог, уровни и нагрузка на линию

Порог. Как его выбирать под 3,3 и 1,8 В — 36а.6; готовые пороги DHO900 и ошибка «порог не под логику» — 36д.6. Дешёвые приставки обычно имеют один фиксированный порог входной микросхемы; приборы получше — компараторы с порогом, который задаётся. Гистерезис (порог вверх выше порога вниз) нужен для медленных фронтов — 36л.6.

Предел входа. Он у каждого прибора свой и записан в его документах. Пример — цифровые входы DHO900: до ±40 В пиковых, CAT I; перепад сигнала не меньше 500 мВ размаха (даташит с. 11). У приставок без входного буфера предел бывает ниже — без документа не подавать на вход ни отрицательное напряжение, ни больше питания логики.

Нагрузка. Вход анализатора — это сопротивление и ёмкость на линии. У логического щупа DHO900 — около 101 кОм и около 8 пФ (даташит с. 11). Ток 101 кОм от 3,3 В — 32,7 мкА, двухтактному выходу это безразлично. А 8 пФ на линии I²C с подтяжкой 4,7 кОм — постоянная времени 37,6 нс, то есть собственный фронт 82,6 нс от 10 до 90 %, и он складывается с ёмкостью шины (160.5). На 100 кГц это мелочь, на быстрых режимах I²C — заметно. Высокоомные узлы (кварц, RC-цепочка) щупом анализатора не трогают вовсе.

Земля. Длинные провода-«мухи» без земли рядом звенят так же, как земляной провод щупа осциллографа (36а.2): звон пересекает порог, и в записи появляются лишние фронты. Землю — на каждую группу каналов, провода — короткие.

36л.4 Разборщики и их стопка

Что это. Разборщик протокола превращает уровни в смысл (36а.6). В sigrok и PulseView разборщики складываются стопкой: нижний разбирает уровни в байты (I²C, SPI, UART), следующий поверх него — байты в действия конкретной микросхемы: память EEPROM, датчик, флеш-память по SPI. У USB таких слоёв несколько: от уровней на линиях к пакетам и от пакетов к запросам. Разборщики sigrok написаны на Python, и свой слой поверх готового пишется по образцу соседних.

Модель. Два слоя на одной записи: I²C 100 кГц на 1 Мвыб/с (10 выборок на бит), память EEPROM по адресу 0x50 с двухбайтовым адресом ячейки. Сначала запись двух байт, потом их чтение. Нижний слой — события I²C, верхний (после «--») — что сделано с памятью:

START
  A0 ACK
  00 ACK
  10 ACK
  41 ACK
  42 ACK
STOP
START
  A0 ACK
  00 ACK
  10 ACK
START
  A1 ACK
  41 ACK
  42 NACK
STOP
--
запись по 0x0010: 41 42
чтение с 0x0010: 41 42

Второй слой понимает то, что первому неизвестно: повторный START с битом чтения после двух байт адреса — это чтение с адреса 0x0010, а NACK на последнем байте — ведущий сам закончил чтение, а не ошибка.

Ошибка — настройки разборщика. 0xA0 и 0x50 — один и тот же адрес: первый с битом R/W, второй без (DHO900 тоже умеет показывать адрес и так, и так, даташит с. 18). UART без верной скорости, числа бит, чётности и полярности, SPI без верных CPOL, CPHA, порядка бит и полярности CS дают правдоподобный мусор. Если разбор «почти верный» — проверять настройки, а не плату.

36л.5 Запуск

Что это. Условие, с которого начинается запись: уровень 0 или 1, фронт вверх, вниз или любой — на любом канале и в сочетании каналов (шаблон). У приборов получше — многоступенчатый запуск (сначала A, потом B) и запуск по значению в разобранном протоколе (адрес I²C, идентификатор CAN). У приставок без своей памяти условие проверяет программа на компьютере по потоку; у приборов с памятью — сам прибор. Запись до запуска (предзапись) — доля памяти, заданная заранее.

Модель. Та же запись I²C, 1,16 мс. Запуск «фронт вниз на SDA» срабатывает 21 раз — на каждом переходе бита из 1 в 0. Условие START (SDA вниз, пока SCL = 1) — 3 раза: два START и один повторный. Нужен шаблон из двух каналов, а не фронт на одном.

Ошибка. Запуск по одному фронту на шине: прибор срабатывает на первом попавшемся бите, и нужная посылка оказывается за краем записи. На DHO900 для этого есть запуск по шине (36д.19).

36л.6 Чего логический анализатор не видит: рант и медленный фронт

Рант. Импульс, который не дошёл до полного уровня (36д.14). Модель: треугольник 0 → 1,2 В → 0 длиной 40 нс, 24 Мвыб/с. С порогом 1,5 В его нет никогда. С порогом 1,0 В он выше порога 6,67 нс — попадает в 16,1 % записей (расчёт 16,0 %) и выглядит там обычным импульсом 41,7 нс, неотличимым от полного. Вопрос «дотянул ли уровень» логическому анализатору не задают — он отвечает только «0 или 1».

Медленный фронт. Фронт 10 мкс от 0 до 3,3 В, на нём шум 30 мВ, порог 1,5 В:

Шум несколько раз переносит сигнал через порог туда и обратно, и разборщик видит лишние биты. Быстрый анализатор здесь хуже медленного: он успевает заметить каждое пересечение. Лечит гистерезис (или триггер Шмитта на линии), а не частота выборки.

Порог сдвигает время. На том же фронте 10 мкс порог 1,4 В и порог 1,65 В дают моменты, разнесённые на 757,6 нс. Два прибора с разными порогами расходятся на столько же в измерении задержки.

Что делать. Аналоговые вопросы — уровень, форма, дотянул или нет — к осциллографу: рант ловит запуск Runt (36д.14), медленный фронт — время нарастания (36е.10). Лучше всего — оба вида каналов на одной оси времени (36л.19).

36л.7 Анализатор спектра: полоса разрешения и шумовая полка

Что это. Прибор, который мерит мощность на каждой частоте. Классический перестраиваемый анализатор переносит вход смесителем на промежуточную частоту и пропускает через узкий фильтр — полосу разрешения (RBW); перестраивая гетеродин, он проводит этот фильтр по всей полосе обзора (span). Основные настройки: центр и полоса обзора (или начало и конец), RBW, видеофильтр VBW, опорный уровень, аттенюатор, время развёртки.

RBW различает близкие частоты. Модель — фильтр с гауссовой характеристикой, два равных тона через 10 кГц:

RBW задаёт шумовую полку. Шум в фильтр попадает пропорционально его ширине. Модель (белый шум через тот же фильтр): с 1 на 10 кГц полка поднимается на 9,99 дБ, с 10 на 100 кГц — на 10,00 дБ; расчёт — 10·lg 10 = 10,00 дБ на каждый десятикратный шаг. Нижний предел — тепловой шум: при 290 К это −173,98 дБм на герц, в полосе 10 кГц — −133,98 дБм; к нему прибавляется собственный шум анализатора, и его надо брать из документов конкретного прибора. Слабый сигнал видно, сужая RBW.

Цена — время. Узкий фильтр медленно отзывается, и проводить его по частоте надо медленно: время развёртки ≈ k·(полоса обзора)/RBW². Модель — тон, проходящий через гауссов фильтр с разной скоростью:

При k = 2,5 полоса обзора 100 МГц проходится с RBW 100 кГц за 25 мс, с RBW 10 кГц — за 2,5 с, с RBW 1 кГц — за 250 с. Поэтому анализаторы обычно связывают время развёртки с RBW сами.

Ошибка. Вручную укоротить время развёртки при узкой RBW: пики становятся ниже настоящих и сползают по частоте. Если прибор предупреждает о некалиброванном режиме — это оно.

36л.8 Детектор и видеофильтр (VBW)

Что это. После фильтра RBW стоит детектор (пиковый, выборочный, усредняющий) и логарифмическая шкала, а за ними — видеофильтр VBW, который сглаживает кривую на экране.

Модель — шум на логарифмической шкале. Огибающая шума после узкого фильтра распределена по Рэлею. Её логарифм, усреднённый, лежит на 2,51 дБ ниже настоящей мощности шума. Без сглаживания кривая шума дрожит со стандартным отклонением 5,57 дБ; при сглаживании по 100 независимым точкам — 0,56 дБ.

Зачем VBW. Видеофильтр делает кривую тоньше и показывает слабую постоянную линию в шуме, но не опускает саму полку — это делает RBW (36л.7). Ошибка: мерить уровень шума пиковым детектором (он показывает выбросы) или по усреднённому логарифму (он занижает на 2,51 дБ). Для шума — усредняющий детектор по мощности, если он есть.

36л.9 Перестраиваемый или на БПФ; аттенюатор и свои гармоники

Перестраиваемый смотрит на одну частоту за раз. Полоса обзора 100 МГц, RBW 100 кГц, развёртка 25 мс: на каждой частоте фильтр стоит 25 мкс. Пачка радиодатчика длиной 1 мс раз в 100 мс попадает в развёртку с вероятностью 1,025 %: в среднем одна поимка на 97,6 развёрток, около 2,44 с — если развёртка и пачки не связаны. Если период развёртки кратен периоду пачек, прибор может не увидеть её никогда. Помогает удержание максимума (max hold) и терпение.

Анализатор на БПФ (и SDR, 36л.12) оцифровывает целую полосу сразу и видит каждую пачку внутри неё. Широкую полосу обзора он тоже проходит шагами — шире своей мгновенной полосы чуда нет.

Свои гармоники. Смеситель нелинеен: на сильном сигнале прибор сам рождает гармоники. Вторая, рождённая внутри, растёт на 2 дБ на каждый децибел входа, то есть относительно основной (в дБн) — на 1 дБ на децибел. Модель: в сигнале вторая гармоника −70 дБн, анализатор при аттенюаторе 0 дБ добавляет свою −50,00 дБн:

Проверка. Добавить 10 дБ аттенюатора. Если гармоника в дБн не изменилась — она в сигнале; если упала — её рисует прибор. Цена: каждые 10 дБ аттенюатора поднимают шумовую полку на те же 10 дБ.

Предел входа. Наибольшая мощность и постоянное напряжение на входе указаны в документах прибора. Постоянную составляющую отсекают разделительным конденсатором (DC-блоком), мощный выход — внешним аттенюатором. Выход передатчика напрямую на вход анализатора не подключают.

36л.10 Анализатор спектра и БПФ осциллографа

БПФ осциллографа (36е.21–36е.23) и анализатор спектра рисуют похожую картинку, но устроены по-разному:

Модель — сколько дают 12 бит. Идеальный 12-битный АЦП на синусе во весь экран: отношение сигнал/шум квантования 74,0 дБ. Этот шум делится между бинами БПФ: на 65536 точках с окном Hanning — −116,6 дБн на бин (расчёт −117,4), на 1 млн точек — −129,2 дБн. Теоретически полка очень низкая; на деле её задают собственный шум и паразитные линии прибора, которых в документах DHO900 нет (36г.3).

Единицы. У DHO900 — dBm, dBV или Vrms (руководство с. 138; 36е.22). 0 дБм на 50 Ом — 223,6 мВ действующего, или 107,0 дБмкВ: в дБмкВ пишут нормы ЭМС.

Когда что. Низкие частоты, связь линии с событием во времени, пульсации и наводки — БПФ осциллографа. Слабое рядом с сильным, радиодиапазоны, гармоники передатчика, ЭМС — анализатор спектра.

36л.11 ЭМС до лаборатории: зонд ближнего поля

Кто в приборе излучает — 203.2, проверка приёмником у платы — 203.6, порядок «свой стенд — лаборатория» — 206.5. Анализатор спектра (или SDR) с зондом ближнего поля добавляет к этому главное: где источник — какая дорожка, какая микросхема, какой кабель.

Что это. Магнитный зонд — маленькая петля на конце коаксиального кабеля. Напряжение на ней пропорционально частоте и магнитному потоку через петлю. Модель: квадратная петля 10 мм в 2 мм от дорожки с током 10 мА:

Отклик растёт на 20 дБ на декаду. Отсюда ловушка: у меандра 8 МГц ток гармоник падает как 1/n (девятая — −19,1 дБ к первой), а зонд усиливает их в n раз — и все нечётные гармоники видны на одном уровне, 0,0 дБ к первой. Спектр через зонд — не поле на расстоянии трёх метров из норм, а карта источников на плате.

Как пользоваться. Только сравнение «до и после»: та же точка, та же высота над платой, те же RBW и аттенюатор. Нашли источник — замедлили фронт, добавили бусину, перенесли дорожку к земле — и смотрят, на сколько децибел упала линия. Электрический зонд (маленький штырь) ищет излучающие кабели и узлы с высоким напряжением. Абсолютный уровень относительно норм даёт только площадка с откалиброванной антенной (203.7, 206.5).

Ошибка. Сравнивать замеры, снятые на разной высоте зонда: в ближнем поле уровень резко зависит от расстояния, и «улучшение на 10 дБ» оказывается сдвинутой рукой.

36л.12 SDR и недорогие анализаторы как класс

SDR. Приёмник с перестраиваемым гетеродином и АЦП, который отдаёт компьютеру поток квадратурных отсчётов (I/Q); спектр считает программа. Мгновенная полоса — порядка частоты выборки; широкую полосу обзора программа собирает, перестраиваясь кусками.

Что у класса общее. Частый 8-битный АЦП: идеальное отношение сигнал/шум квантования — 49,9 дБ против 74,0 дБ у 12 бит. Сильный сигнал рядом перегружает тракт, и появляются линии, которых нет. В центре полосы часто стоит линия от утечки гетеродина и смещения нуля, по краям — зеркальные отражения. Абсолютной калибровки уровня обычно нет: дБм на экране — условные.

Для чего годится. Сравнение «до и после» (203.6, 206.5), поиск несущей и её гармоник, наблюдение за эфиром на частоте своего радио, работа с зондом ближнего поля. Недорогие перестраиваемые анализаторы и анализаторы на БПФ — тот же класс оговорок; их характеристики — только из их документов.

Ошибка. Принять линию ровно в центре полосы SDR за сигнал. Сдвинуть частоту настройки: настоящая линия останется на своей частоте, ложная переедет вместе с центром.

36л.13 Анализатор цепей: S11, S21 и круговая диаграмма

Что это. Векторный анализатор цепей (VNA) сам качает синус по частоте и на каждой частоте мерит амплитуду и фазу волн: отражённой от входа цепи (S11) и прошедшей через неё (S21). Скалярный прибор мерит только амплитуду. NanoVNA — класс маленьких двухпортовых анализаторов с открытой схемой, экраном и USB: первый порт излучает и мерит отражение, второй принимает прошедшее — S11 и S21; обратное направление — перестановкой цепи. Диапазоны и точность у разных экземпляров этого класса разные; здесь их нет — только по документам конкретного прибора.

Круговая диаграмма. Плоскость коэффициента отражения Γ: центр — ровно 50 Ом, левый край — короткое замыкание, правый — холостой ход; верхняя половина — индуктивные сопротивления, нижняя — ёмкостные. Окружности вокруг центра — постоянный КСВ. Цепь по частоте рисует на ней кривую: последовательный резонансный контур пересекает горизонтальную ось на частоте резонанса (рисунок в 36л.16).

Ошибка. Смотреть только на кривую КСВ: она теряет знак реактивного сопротивления, и не видно, катушку или конденсатор ставить для согласования. Круговая диаграмма это показывает.

36л.14 Коэффициент отражения, КСВ и обратные потери

Формулы. Γ = (Z − 50)/(Z + 50); КСВ = (1 + |Γ|)/(1 − |Γ|); обратные потери = −20·lg|Γ|; потери рассогласования = −10·lg(1 − |Γ|²); отражённая доля мощности — |Γ|².

Потери рассогласования при КСВ 2 и 3 — те же 0,51 и 1,25 дБ, что в 92.5. 25 и 100 Ом дают один КСВ: он не говорит, в какую сторону ошибка, — комплексный Γ говорит.

Ошибка — знаки. Обратные потери — положительное число (9,54 дБ), S11 в децибелах — то же с минусом (−9,54 дБ). «Обратные потери −10 дБ» и «S11 = −10 дБ» — одно и то же, но запись вида «потери 10 дБ — хуже, чем 20 дБ» верна только для обратных потерь: чем больше, тем лучше согласование.

36л.15 Калибровка SOL(T)

Зачем. Без калибровки анализатор мерит не только цепь, но и свой мост, разъёмы и кабель. Ошибки отражения описываются тремя комплексными числами: направленность e00, согласование порта e11 и тракт отражения e01: Γизм = e00 + e01·Γ/(1 − e11·Γ). Три неизвестных — три известные нагрузки: короткое замыкание (Γ = −1), холостой ход (+1), нагрузка 50 Ом (0) — калибровка SOL. Для S21 добавляют перемычку между портами (Through, T) — нормировку передачи.

Модель. Условные ошибки моста и кабеля:

Плоскость отсчёта. Калибруют там, куда подключается цепь: на конце кабеля, переходника, у площадок на плате. Модель: после калибровки добавили 10 см кабеля (коэффициент укорочения — условные 0,66). На 868 МГц Γ поворачивается на 316°, нагрузка 75 Ом показывается как 63,7 + j18,5 Ом. КСВ остаётся 1,50: кабель без потерь сохраняет КСВ, но не сопротивление.

Ошибка. Откалибровать в одном диапазоне или с одним числом точек, а мерить в другом; калибровать без кабеля, а мерить через него; не повторять калибровку после прогрева и смены переходника. Сами калибровочные нагрузки тоже не идеальны — у дешёвых наборов их поправки неизвестны, и это предел точности.

36л.16 Согласование антенны L-цепочкой

Антенна — отдельная тема (92.5, 93); здесь — как анализатор цепей помогает её согласовать.

Модель антенны. Последовательный контур: 20 Ом, резонанс 920 МГц — антенна не на свой диапазон. На рабочих 868 МГц её сопротивление 20,0 − j40,4 Ом: |Γ| = 0,622, КСВ 4,30, обратные потери 4,12 дБ, потери рассогласования 2,13 дБ. КСВ ниже 2 нет нигде: лучший 2,50 — на 920 МГц.

Сначала — длина. Если антенну можно укоротить или удлинить, сначала переносят резонанс на рабочую частоту, и только потом согласуют остаток.

L-цепочка. Сопротивление антенны меньше 50 Ом — значит, элемент последовательно с антенной и элемент параллельно со стороны 50 Ом. Добротность цепочки Q = √(50/20 − 1) = 1,225. Последовательно нужно всего Q·20 = 24,49 Ом реактивного; у антенны своих −40,4 Ом, значит, добавить +64,88 Ом — катушку 11,90 нГн. Параллельно: −50/Q = −40,82 Ом — конденсатор 4,49 пФ. Проверка расчётом: вход 50,00 + j0,00 Ом, КСВ 1,000. С ближайшими номиналами ряда E12 — 12 нГн и 4,7 пФ — КСВ 1,07, обратные потери 29,2 дБ. КСВ ниже 2 — от 852 до 884 МГц, полоса 32,0 МГц.

На плате. На 868 МГц свои паразитные индуктивность и ёмкость есть у площадок, переходных отверстий и самих деталей, поэтому расчёт — только начальная точка: после пайки мерят анализатором и подбирают. Калибруют у разъёма антенны или у площадок. Мерят в корпусе и в руке — корпус и рука сдвигают резонанс; о месте антенны — 92.5. Под согласование обычно оставляют три посадочных места (П-цепочка), чтобы собрать любую из двух L-цепочек без переделки платы.

Ошибка. Согласовать антенну на столе без корпуса: в корпусе резонанс уезжает, и подобранная цепочка становится рассогласующей.

36л.17 Измерение фильтра

Как. S21 — сколько проходит, S11 — сколько отражается на входе. Калибровка — SOLT, вместе с кабелями, которыми фильтр подключён.

Модель. ФНЧ Баттерворта третьего порядка 100 МГц на 50 Ом: 31,83 пФ — 159,2 нГн — 31,83 пФ.

Что видно. В полосе задерживания реактивный фильтр не поглощает, а отражает: обратные потери около нуля — мощность возвращается к источнику. Глубину задерживания ограничивает сам анализатор — его динамический диапазон и просачивание между портами: ровная полка внизу кривой S21 — предел прибора, а не фильтра.

Низкие частоты. Звуковые фильтры и фильтры перед АЦП (178) удобнее мерить диаграммой Боде на осциллографе: у DHO914S и DHO924S — от 10 Гц до 25 МГц (даташит с. 19, 26; 36е.24), генератор — 36к.

36л.18 Анализаторы шин: CAN, USB и протокольные

CAN. Анализатор CAN — это узел с контроллером CAN в режиме «только слушать»: метки времени, кадры ошибок, загрузка шины, фильтры, часто и передача. Самодельный вариант — сниффер 198е (SLCAN, режим silent) и адаптер с SocketCAN — 19ж. Логический анализатор на выходе RX трансивера тоже читает CAN: 500 кбит/с на 24 Мвыб/с — 48 выборок на бит, видны биты и вставленные биты. Но счётчиков ошибок контроллера у него нет, а запись ограничена.

Модель — загрузка шины. Кадр с идентификатором 0x123 и 8 байтами 11…88: 111 бит без вставленных (вместе с межкадровым промежутком 3 бита), вставленный бит — 1, итого 112 бит; в худшем случае вставок — 135 бит. 1000 таких кадров в секунду на 500 кбит/с — загрузка 22,4 %. Анализатор показывает её сразу; от неё зависит, доходят ли кадры с низким приоритетом (19.3).

USB — три уровня. - Программа на компьютере (перехват USB в операционной системе, разбор в Wireshark) видит запросы так, как их видит стек хоста. Не видит электрических сигналов, повторов и NAK, которые обрабатывает контроллер хоста, и ничего — если устройство не прошло перечисление. - Аппаратный протокольный анализатор включается в разрыв кабеля между хостом и устройством и пишет каждый пакет с временем, включая ошибки и NAK. Это инструмент для отладки своего USB-устройства (20, 20д). - Логический анализатор. Low speed 1,5 Мбит/с на 24 Мвыб/с — 16 выборок на бит, читается. Full speed 12 Мбит/с — бит 83,3 нс, 2 выборки на бит: меньше правила 36а.6, нужно от 48 Мвыб/с. High speed 480 Мбит/с — бит 2,08 нс: это за пределами класса, только специализированный анализатор.

Протокольные адаптеры для I²C и SPI умеют не только слушать, но и сами вести шину: поговорить с микросхемой с компьютера, ещё до прошивки.

Ошибка. Искать в перехвате на компьютере причину, по которой устройство «не определяется»: до драйвера дело не дошло, и перехват пуст. Здесь нужен аппаратный анализатор или хотя бы осциллограф на D+ и D− (20.5).

36л.19 DHO900 как анализатор

То, что дальше, относится только к DHO900, по его документам.

16 цифровых каналов. D0–D15 есть у всех моделей, но логический щуп PLA2216 покупается отдельно (даташит с. 4, 9). Включать и вынимать его при включённом приборе нельзя (руководство с. 177). Порог задаётся отдельно для D0–D7 и D8–D15 (руководство с. 178) — от −15 до +15 В с шагом 10 мВ, с готовыми порогами под логику (даташит с. 11; как выбирать — 36д.6). Вход — около 101 кОм и около 8 пФ (36л.3).

Скорость. Кратчайший замечаемый импульс — 5 нс, наибольшая частота входа — 200 МГц, расхождение между цифровыми каналами — ±5 нс (даташит с. 12); оговорка к нему — при частоте выборки цифровых каналов 625 Мвыб/с, то есть шаге 1,6 нс (даташит с. 26, примечание 6). Это в 26 раз быстрее класса 24 Мвыб/с из 36л.1. Глубина памяти цифровых каналов в документах не названа.

Перед работой. При первом подключении щупа и при смене температуры больше чем на 5 °C щуп калибруют (ProbeCalibration, руководство с. 179). Цифровые каналы несовместимы с усреднением (руководство с. 69) и недоступны в самописце Roll (руководство с. 74).

Главное преимущество. Аналоговые и цифровые каналы — на одной оси времени и с одним запуском. Это ответ на 36л.6: подозрительную линию — на аналоговый канал с запуском Runt (36д.14), шину — на цифровые. Запускаться можно и от D0–D15 (36д.6).

Декодирование. До 4 протоколов одновременно: Parallel, RS232/UART, I2C, SPI, LIN и CAN, источник — CH1–CH4 или D0–D15 (даташит с. 18–19). Подробно — 36ж.

Как анализатор спектра — БПФ в Math: до 1 млн точек, шесть окон, поиск до 15 пиков (даташит с. 17), единицы dBm, dBV или Vrms (руководство с. 138); как этим пользоваться — 36е.21–36е.23. Вход — только 1 МОм (36г.6).

Как анализатор цепей на низких частотах — диаграмма Боде у DHO914S и DHO924S (даташит с. 19; примечание 7 на с. 26): 36е.24.

Чего не заменяет. Многочасовой записи шины (это поток на компьютер, 36л.2), радиочастот выше полосы канала — 125 или 250 МГц (даташит с. 9), анализатора цепей в радиодиапазоне.

36л.20 STM32 как простой анализатор

• Логический анализатор из BluePill — мини-проект 198д: восемь каналов, до 4,5 Мвыб/с, кольцо 16 384 выборки, разбор и экспорт для PulseView. Там же — почему быстрее нельзя.
• Сниффер CAN — 198е; адаптер для SocketCAN — 19ж.
• Одна частота вместо спектра — алгоритм Гёрцеля (81б) на отсчётах АЦП: «есть ли тон и какой силы» без полного БПФ; фильтры — 81а. Генератор для измерений на STM32 — 36к.

Такой прибор — для того, чтобы понять устройство и закрыть задачу, пока настоящего нет. Входы — без защиты, с пределами самого вывода (198д.1).

36л.21 Грабли

Импульс то есть, то нет. Короче шага выборки: 20 нс на 24 Мвыб/с видны в 48,1 % записей (36л.1).

Скважность меандра «прыгает». Три выборки на период: SCK 8 МГц показан как 33 или 67 % (36л.1).

Лишние биты на медленной линии. Шум переносит фронт через порог туда и обратно: в 62,7 % фронтов при 24 Мвыб/с. Гистерезис или осциллограф (36л.6).

Рант не виден. Логический анализатор отвечает «0 или 1» — рант 1,2 В при пороге 1,5 В не существует (36л.6).

Запись обрывается. Поток не помещается в USB 2.0: 16 каналов на 24 Мвыб/с — 90,1 % потолка массовых передач (36л.2).

Разбор — правдоподобный мусор. Неверные настройки разборщика: адрес с битом R/W или без, CPOL и CPHA, скорость UART (36л.4).

Пики ниже, чем должны быть. Время развёртки укорочено вручную: при k = 0,5 ошибка −1,25 дБ (36л.7).

Гармоника «в сигнале». Её рисует смеситель анализатора: +10 дБ аттенюатора, и она упала с −49,96 до −59,59 дБн (36л.9).

Линия ровно в центре SDR. Утечка гетеродина, а не сигнал (36л.12).

КСВ 1,26 у нагрузки 75 Ом. Не откалибровали: на самом деле 1,50 (36л.15).

Согласовали на столе — в корпусе хуже. Корпус и рука сдвигают резонанс; мерить в сборе (36л.16).

Перехват USB пуст. Устройство не прошло перечисление — программа на компьютере его не видит (36л.18).

36л.22 Итоги

• Логический анализатор знает время с точностью до шага выборки: импульс короче шага пропадает, ширина в записи — целое число шагов.
• Поток по USB 2.0 ограничен 53,248 МБ/с массовых передач — отсюда частота выборки приставок на FX2; своя память даёт скорость, но короткую запись. Медленные сигналы хорошо сжимаются длинами серий.
• Разборщики складываются стопкой: уровни → байты → действия микросхемы. Запуск — по шаблону, а не по одному фронту.
• Рант и медленный фронт — вопросы к осциллографу; от лишних переходов лечит гистерезис, а не частота выборки.
• Анализатор спектра: RBW различает близкие частоты и опускает полку на 10 дБ на декаду, но время развёртки растёт как квадрат. VBW сглаживает, но не опускает полку. Свои гармоники выдаёт проверка аттенюатором.
• Зонд ближнего поля показывает, где источник, и подчёркивает высокие частоты; годится для «до и после», не для норм.
• Анализатор цепей: Γ, КСВ и обратные потери — одно и то же разными словами; калибровка SOL(T) в плоскости подключения обязательна. L-цепочка 11,90 нГн и 4,49 пФ согласует модель антенны на 868 МГц.
• Анализатор шины видит то, чего нет в программе: ошибки CAN, NAK и перечисление USB.
• DHO900 сводит аналоговые и 16 цифровых каналов на одну ось времени; его БПФ и Боде — 36е.

Дальше: раздел 36м «Старшие осциллографы RIGOL: DHO1000 и DHO4000 — что добавляется и чем отличается управление» — чем старшие модели отличаются от DHO900 и как перенести на них скрипт.