10GHz帯域オシロスコープの仕組み

質問

仕事でテクトロニクス製DPO70000シリーズの高速オシロスコープを使用しています。
このオシロは下記の性能を備えています。
OSはwindows7で、windows上のアプリのような形でオシロが動いています。

最高周波数帯域：33 GHz
最高サンプルレート：100 GS/s
立上り時間：9 ps未満
有効ビット数：5.5桁以上

そこでふとした疑問なのですが、
どのような処理をすれば、こんなに高速でハイダイナミックレンジな信号を
windows上のアプリに取り込めるのでしょうか？

私の想像では、何らかの並列処理と、
OSのメモリへの直接アクセスが必須かと思います。
高速なマルチプレクサで信号を切り替えつつ、
逐次16bitADコン→メモリと信号を送り、
OSはメモリから直接信号を表示しているのでしょうか。
具体的に方法がわかる方 or 見当が付く方がおりましたら、
アドバイス、ご指摘をお願い致します。

10GHz以上のオシロは日本国内メーカではないと思います。
テクトロニクス、アジレント、レクロイくらいでしょうか。

回答No.3

tance · ベストアンサー

10GHz超えの高速リアルタイムオシロには、ちょっと想像を超える技術が凝縮されています。3000万円とか言われても「よくそんなに安く作れるなぁ」と思えます。

いろいろな技術はとてもここでは説明しきれないですが、一例を挙げましょう。
たとえば、33GHz帯域の100Gspsのオシロでは１サンプル周期以下の時間分解能があります。100Gspsとは10psec毎にサンプリングするのですが、トリガから最初のサンプルポイントまでの時間はどうやって知るのでしょう。トリガはオシロのクロックと非同期ですから波形のスタート位置が10psの範囲内でずれるのでしょうか。実際にはそんなことはありません。別途トリガ点から最初のサンプリング点までの時間を計測する測定ユニットが搭載されていて、0.1ps以下の分解能で波形表示位置を調整しています。

試しに、横軸を10ps/divくらいにして、何か速い波形を表示してみてください。トリガ点はほとんどばらつかず、小さな１点から波形が始まっていることが解ります。ADのサンプリング間隔は1divなのに　です。

また、このような高速オシロでは常識化した技術として、「とにかく大量にサンプルデータを取って、あとから解析して波形にする」という技術があります。この場合、トリガ点も後から見つけます。ソフトで補完して１サンプル周期以下の時間分解能を実現しています。

さらにCDRという機能があって、入力された信号の平均周期を計算して（PLLでハード的に作る機種もある）トリガ位置に拠らない波形（eyeパターンなど）を表示したりします。

超高速のADコンバータ自体もスゴイのですが、超高速のデマルチプレサと超高速のバッファメモリの方も特製のもので、大変な技術です。ちょっと前までは、200MspsのADコンバータを20個並列にして、１周期の1/20ずつずらした20相クロックで各ADを駆動して実質4GspsのADとして動作させる・・・なんていう技術（インターリーブ）もありました。（今でも、もっと速くなってインターリーブは普通に使われています）

今はADコンバータのエイリアシングを逆に利用して、サンプリング定理を超えるADが実現されたりしています。（厳密にはサンプリング定理を超えてはいない。ADを２個使って片方はエイリアシング処理にしている）

最近のハイエンド機の内部は導波管まで使われています。

信号のサンプリングはとてつもなく速いですが、一旦データを取り終えると、画面に波形を表示するまでには長い時間をかけています。（10msecとか）ここではOS経由でも十分に間に合うわけです。

お礼

お礼が遅れて申し訳ありません。
丁寧なご回答を頂きありがとうございました。
本当にすごい技術ですね。。
畏敬の念を持ってこのオシロを使って行きたいと思います。

回答No.2

shintaro-2

>コントローラはどんな働きをしていると思いますか？

ADから吐き出されるデータをひたすらメモリに書き込むだけです。

ブロックレイアウトが↓の記事写真にあります
http://news.mynavi.jp/articles/2010/04/28/agilent_90000x/

テクトロの文書
ATI 技術によるリアルタイム・オシロスコープの 周波数帯域拡張
http://jp.tek.com/dl/55Z-29371-3.pdf

＞日本国内のメーカが作っていない高性能計測器なので、
＞どういう点に技術的な難しさがあるのかも気になりました。

そんなに大きな市場ではないような気がするので、開発費を回収できるかがポイントなのでしょう。
http://techon.nikkeibp.co.jp/article/HONSHI/20120119/203755/?ST=ndh

どこに障害があるかわかりませんが、ありがちなのは特許ですね。

参考URL：

http://www.amazon.co.jp/dp/B00S6RSIQW

回答No.1

shintaro-2

>OSのメモリへの直接アクセスが必須かと思います。

どうでも良いのでは？

測定自体は並列A/Dにより高速に行い、
メモリに保存しておく必要がありますが
それは専用のコントローラを積んでおけばOSが関与する必要はありません。

表示はそこそこにしておいて、
拡大表示等で必要なデータを読み出せば良いだけです。

補足

まぁ確かにどうでも良い事なんですが、、
どう動いているのか見当も付かない程の計測器なので、
どんな信号処理をしているのか大変気になりました。

コントローラはどんな働きをしていると思いますか？

日本国内のメーカが作っていない高性能計測器なので、
どういう点に技術的な難しさがあるのかも気になりました。
高周波や通信などで日本国内でもかなり需要がありそうなオシロなのに、
横河などが作れなかったのが残念です。