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數(shù)字存儲(chǔ)示波器迎接定時(shí)和抖動(dòng)的挑戰(zhàn)
2015-01-29
——在生產(chǎn)設(shè)計(jì)涉及快速信號(hào)而且時(shí)間緊迫的情況下工程師有準(zhǔn)確的儀器和良好的故障排除工具是非常重要的。為迎接這種挑戰(zhàn)示波器生產(chǎn)商提供了既有高精確基本特性又有先進(jìn)解決問題能力的儀器。 數(shù)字示波器的基本任務(wù)是為使用者捕捉、觀察和分析信號(hào)以及提供排除故障的工具。在選擇示波器時(shí)使用者要考慮觸發(fā)性能、帶寬、取樣率和采集存儲(chǔ)器長(zhǎng)度。
——觸發(fā)
——許多高性能示波器裝有觸發(fā)器能夠區(qū)別變化率、毛刺和低脈沖的問題。如果使用者處理的是高速信號(hào)則理想的示波器可由快速事件觸發(fā)。最快的觸發(fā)電路可用100ps分辨率捕捉600ps的事件。
——當(dāng)電路情況尚未清楚時(shí)使用非常快速的觸發(fā)并將數(shù)據(jù)全部存入顯示屏的長(zhǎng)余輝圖形。使用者能觀察到可能引起錯(cuò)誤的事件類型并設(shè)置觸發(fā)去捕捉這些事件。
——如果使用者知道正常信號(hào)應(yīng)有的波形，涂層測(cè)厚儀則使用者只要在信號(hào)出現(xiàn)異常定時(shí)特性時(shí)觸發(fā)。
——帶寬和取樣率
——示波器帶寬和取樣率對(duì)精確信號(hào)捕捉是重要的。對(duì)定時(shí)測(cè)量來說兩種特性中取樣率通常更為重要。
——數(shù)字示波器在一個(gè)信號(hào)周期中最少應(yīng)捕捉八個(gè)樣本才能進(jìn)行精確的定時(shí)測(cè)量。精密測(cè)量可能需要更高的比率。
——前端放大器要有足夠的帶寬去跟蹤信號(hào)的最高帶寬成分。對(duì)于上升時(shí)間350ps的電路來說放大器具有350ps本征上升時(shí)間的1GHz示波器就足夠了。所有時(shí)鐘邊沿的上升時(shí)間將會(huì)同樣降低但不會(huì)影響它們的相對(duì)定時(shí)。
——應(yīng)該選用更高帶寬的儀器去測(cè)量1GHz以上的噪聲效應(yīng)同時(shí)應(yīng)該認(rèn)識(shí)更高帶寬的雙邊沿效應(yīng)。更精確的上升時(shí)間要求示波器繪制更精確的帶寬但是過份的帶寬會(huì)使使用者獲得錯(cuò)誤的結(jié)論。假定微處理器時(shí)鐘正在驅(qū)動(dòng)高速RAM器件的選通輸入RAM器件將對(duì)時(shí)鐘邊沿發(fā)生響應(yīng)而不是對(duì)高頻噪聲發(fā)生響應(yīng)。在這種情況下電路響應(yīng)受帶寬限制并忽略掉很高的高頻噪聲。
——寬帶垂直噪聲是邊沿抖動(dòng)的主要制造者，但使用者不要過份估計(jì)垂直噪聲的影響把超過被測(cè)電路和帶寬的噪聲影響也考慮在內(nèi)。因?yàn)榉糯笃鞯膶拵г肼曤S帶寬的開方值增加，使用者應(yīng)保證示波器不會(huì)把噪聲和抖動(dòng)加入到信號(hào)中。具有500MHz至幾GHz帶寬的示波器只有幾ps的本征噪聲。
——存儲(chǔ)器深度
——對(duì)于復(fù)雜數(shù)據(jù)流的時(shí)鐘穩(wěn)定度和定時(shí)分析示波器應(yīng)該有足夠的存儲(chǔ)器在整個(gè)數(shù)據(jù)記錄上保持A/D轉(zhuǎn)換器的最高取樣率。如果存儲(chǔ)器不夠則必需降低A/D轉(zhuǎn)換器的取樣率去捕捉整個(gè)信號(hào)或者保持最高取樣率而不能記錄整個(gè)信號(hào)。
——定時(shí)測(cè)量
——多種定時(shí)測(cè)量都要統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的有效性。使用者不能只測(cè)量一次周期至周期的變化就測(cè)量出周期抖動(dòng)。必須進(jìn)行多次測(cè)量以保證一個(gè)具有高斯分布的參數(shù)的分布范圍的測(cè)量。這些分布需要包括多種信號(hào)定時(shí)變化由寬帶噪聲決定的定時(shí)測(cè)量 。
——高斯分布測(cè)量
直分圖事件數(shù) 時(shí)鐘周期抖動(dòng)（б） 100±2.1 1,000±2.9 5,000 ±3.4 10,000 ±3.5 100,000 ±4.1 1,000,000 ±4.6 5,000,000 ±5.1
——參數(shù)測(cè)量值例如空度比誤差要有1000次測(cè)量獲得最可能的結(jié)果是分布范圍達(dá)到±2.9б。捕捉1×106次測(cè)量可將數(shù)值范圍擴(kuò)展到大約9б（±4.6б）。這樣的置信度要高得多使最壞情況的電路性能得到特征化。
——某些示波器觸發(fā)一次只捕捉到一個(gè)參數(shù)值即使由長(zhǎng)的存儲(chǔ)器去捕捉通常只是屏幕的第一個(gè)周期。另一些示波器觸發(fā)一次可捕促到1×106以上的周期并對(duì)所有周期都作測(cè)量。
——示波器的CPU速度和RAM大小隨型號(hào)的不同而不同沒有必要與價(jià)格掛鉤。某些低價(jià)示波器有很高的處理能力而某些高價(jià)的示波器的處理能力卻很低。某些示波器用專用DSP去快速運(yùn)行某些計(jì)算但對(duì)另一些計(jì)算的運(yùn)行會(huì)很慢。最好在購(gòu)買示波器之前先讓示波器進(jìn)行特定的測(cè)量。
——先進(jìn)的故障排除性能
——多種先進(jìn)的故障排除工具特別是尋找定時(shí)和抖動(dòng)問題的工具現(xiàn)在都裝入示波器內(nèi)。首先是某些示波器具有更快進(jìn)入觸發(fā)方式的能力并且將數(shù)據(jù)顯示成余輝圖形使用者可觀察到大量事件。
——某些示波器使用這些余輝圖數(shù)據(jù)繪制出向量掃跡它顯示的包絡(luò)是±3б或其它б值而其它示波器可給出數(shù)據(jù)值的統(tǒng)計(jì)表示。它用四個(gè)數(shù)字一組來表示使邊沿的多次采集特征化用邊沿到達(dá)的最先、最后、平均和б值來顯示。
——其它示波器可繪制出表示所有邊沿到達(dá)時(shí)間的直方圖。多峰直方圖或帶肩直方圖表示除一項(xiàng)噪聲之外還有其它因素導(dǎo)致定時(shí)問題。
——某些示波器還可作出諸如周期——周期抖動(dòng)、周期至下一周期的空度比變化、脈沖幅度分布等的信號(hào)參數(shù)直方圖。由于直方圖內(nèi)容隨示波器型號(hào)的不同而不同工程師應(yīng)考慮哪一種參數(shù)重要而選擇一種含有這種參數(shù)的示波器。在許多情況下需要保持與時(shí)間有關(guān)的參數(shù)測(cè)量記錄。某些示波器可采用與數(shù)據(jù)采集一樣的時(shí)基作出定時(shí)參數(shù)的連貫值掃跡。
——上述掃跡跟蹤著信號(hào)隨原始數(shù)據(jù)掃跡的定時(shí)變動(dòng)。如果信號(hào)的周期、頻率或空度比變化則跟蹤著抖動(dòng)的掃跡可顯示出隨這些變化而變化的曲線。
——因?yàn)榻y(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)用作證實(shí)一個(gè)系統(tǒng)是否處在指標(biāo)之內(nèi)示波器上的抖動(dòng)跟蹤曲線是電路故障排除的極好工具。設(shè)計(jì)者可迅速確認(rèn)被測(cè)信號(hào)的非正常部分的位置并深入尋找失效原因。
——選擇示波器
——每個(gè)連續(xù)進(jìn)行的項(xiàng)目都會(huì)遇到更快的信號(hào)和更復(fù)雜的問題所以選擇示波器的最后一個(gè)因素是要考慮到未來的應(yīng)用。選擇一個(gè)比目前需要的觸發(fā)更快、存儲(chǔ)能力更深和參數(shù)分析能力更強(qiáng)的示波器是很重要的。另外考慮示波器的設(shè)計(jì)將來能否增加分析工具和更多RAM。
——當(dāng)選擇示波器作定時(shí)和抖動(dòng)測(cè)量時(shí)使用者應(yīng)該盡可能多地了解電路特性。在檢查市售示波器的指標(biāo)后選取幾種不同供應(yīng)商的樣品試用。花費(fèi)時(shí)間用示波器作實(shí)際測(cè)量和作故障分析是值得的并且這可保證將來作定時(shí)和抖動(dòng)分析更為精確。
——觸發(fā)
——許多高性能示波器裝有觸發(fā)器能夠區(qū)別變化率、毛刺和低脈沖的問題。如果使用者處理的是高速信號(hào)則理想的示波器可由快速事件觸發(fā)。最快的觸發(fā)電路可用100ps分辨率捕捉600ps的事件。
——當(dāng)電路情況尚未清楚時(shí)使用非常快速的觸發(fā)并將數(shù)據(jù)全部存入顯示屏的長(zhǎng)余輝圖形。使用者能觀察到可能引起錯(cuò)誤的事件類型并設(shè)置觸發(fā)去捕捉這些事件。
——如果使用者知道正常信號(hào)應(yīng)有的波形，涂層測(cè)厚儀則使用者只要在信號(hào)出現(xiàn)異常定時(shí)特性時(shí)觸發(fā)。
——帶寬和取樣率
——示波器帶寬和取樣率對(duì)精確信號(hào)捕捉是重要的。對(duì)定時(shí)測(cè)量來說兩種特性中取樣率通常更為重要。
——數(shù)字示波器在一個(gè)信號(hào)周期中最少應(yīng)捕捉八個(gè)樣本才能進(jìn)行精確的定時(shí)測(cè)量。精密測(cè)量可能需要更高的比率。
——前端放大器要有足夠的帶寬去跟蹤信號(hào)的最高帶寬成分。對(duì)于上升時(shí)間350ps的電路來說放大器具有350ps本征上升時(shí)間的1GHz示波器就足夠了。所有時(shí)鐘邊沿的上升時(shí)間將會(huì)同樣降低但不會(huì)影響它們的相對(duì)定時(shí)。
——應(yīng)該選用更高帶寬的儀器去測(cè)量1GHz以上的噪聲效應(yīng)同時(shí)應(yīng)該認(rèn)識(shí)更高帶寬的雙邊沿效應(yīng)。更精確的上升時(shí)間要求示波器繪制更精確的帶寬但是過份的帶寬會(huì)使使用者獲得錯(cuò)誤的結(jié)論。假定微處理器時(shí)鐘正在驅(qū)動(dòng)高速RAM器件的選通輸入RAM器件將對(duì)時(shí)鐘邊沿發(fā)生響應(yīng)而不是對(duì)高頻噪聲發(fā)生響應(yīng)。在這種情況下電路響應(yīng)受帶寬限制并忽略掉很高的高頻噪聲。
——寬帶垂直噪聲是邊沿抖動(dòng)的主要制造者，但使用者不要過份估計(jì)垂直噪聲的影響把超過被測(cè)電路和帶寬的噪聲影響也考慮在內(nèi)。因?yàn)榉糯笃鞯膶拵г肼曤S帶寬的開方值增加，使用者應(yīng)保證示波器不會(huì)把噪聲和抖動(dòng)加入到信號(hào)中。具有500MHz至幾GHz帶寬的示波器只有幾ps的本征噪聲。
——存儲(chǔ)器深度
——對(duì)于復(fù)雜數(shù)據(jù)流的時(shí)鐘穩(wěn)定度和定時(shí)分析示波器應(yīng)該有足夠的存儲(chǔ)器在整個(gè)數(shù)據(jù)記錄上保持A/D轉(zhuǎn)換器的最高取樣率。如果存儲(chǔ)器不夠則必需降低A/D轉(zhuǎn)換器的取樣率去捕捉整個(gè)信號(hào)或者保持最高取樣率而不能記錄整個(gè)信號(hào)。
——定時(shí)測(cè)量
——多種定時(shí)測(cè)量都要統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的有效性。使用者不能只測(cè)量一次周期至周期的變化就測(cè)量出周期抖動(dòng)。必須進(jìn)行多次測(cè)量以保證一個(gè)具有高斯分布的參數(shù)的分布范圍的測(cè)量。這些分布需要包括多種信號(hào)定時(shí)變化由寬帶噪聲決定的定時(shí)測(cè)量 。
——高斯分布測(cè)量
直分圖事件數(shù) 時(shí)鐘周期抖動(dòng)（б） 100±2.1 1,000±2.9 5,000 ±3.4 10,000 ±3.5 100,000 ±4.1 1,000,000 ±4.6 5,000,000 ±5.1
——參數(shù)測(cè)量值例如空度比誤差要有1000次測(cè)量獲得最可能的結(jié)果是分布范圍達(dá)到±2.9б。捕捉1×106次測(cè)量可將數(shù)值范圍擴(kuò)展到大約9б（±4.6б）。這樣的置信度要高得多使最壞情況的電路性能得到特征化。
——某些示波器觸發(fā)一次只捕捉到一個(gè)參數(shù)值即使由長(zhǎng)的存儲(chǔ)器去捕捉通常只是屏幕的第一個(gè)周期。另一些示波器觸發(fā)一次可捕促到1×106以上的周期并對(duì)所有周期都作測(cè)量。
——示波器的CPU速度和RAM大小隨型號(hào)的不同而不同沒有必要與價(jià)格掛鉤。某些低價(jià)示波器有很高的處理能力而某些高價(jià)的示波器的處理能力卻很低。某些示波器用專用DSP去快速運(yùn)行某些計(jì)算但對(duì)另一些計(jì)算的運(yùn)行會(huì)很慢。最好在購(gòu)買示波器之前先讓示波器進(jìn)行特定的測(cè)量。
——先進(jìn)的故障排除性能
——多種先進(jìn)的故障排除工具特別是尋找定時(shí)和抖動(dòng)問題的工具現(xiàn)在都裝入示波器內(nèi)。首先是某些示波器具有更快進(jìn)入觸發(fā)方式的能力并且將數(shù)據(jù)顯示成余輝圖形使用者可觀察到大量事件。
——某些示波器使用這些余輝圖數(shù)據(jù)繪制出向量掃跡它顯示的包絡(luò)是±3б或其它б值而其它示波器可給出數(shù)據(jù)值的統(tǒng)計(jì)表示。它用四個(gè)數(shù)字一組來表示使邊沿的多次采集特征化用邊沿到達(dá)的最先、最后、平均和б值來顯示。
——其它示波器可繪制出表示所有邊沿到達(dá)時(shí)間的直方圖。多峰直方圖或帶肩直方圖表示除一項(xiàng)噪聲之外還有其它因素導(dǎo)致定時(shí)問題。
——某些示波器還可作出諸如周期——周期抖動(dòng)、周期至下一周期的空度比變化、脈沖幅度分布等的信號(hào)參數(shù)直方圖。由于直方圖內(nèi)容隨示波器型號(hào)的不同而不同工程師應(yīng)考慮哪一種參數(shù)重要而選擇一種含有這種參數(shù)的示波器。在許多情況下需要保持與時(shí)間有關(guān)的參數(shù)測(cè)量記錄。某些示波器可采用與數(shù)據(jù)采集一樣的時(shí)基作出定時(shí)參數(shù)的連貫值掃跡。
——上述掃跡跟蹤著信號(hào)隨原始數(shù)據(jù)掃跡的定時(shí)變動(dòng)。如果信號(hào)的周期、頻率或空度比變化則跟蹤著抖動(dòng)的掃跡可顯示出隨這些變化而變化的曲線。
——因?yàn)榻y(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)用作證實(shí)一個(gè)系統(tǒng)是否處在指標(biāo)之內(nèi)示波器上的抖動(dòng)跟蹤曲線是電路故障排除的極好工具。設(shè)計(jì)者可迅速確認(rèn)被測(cè)信號(hào)的非正常部分的位置并深入尋找失效原因。
——選擇示波器
——每個(gè)連續(xù)進(jìn)行的項(xiàng)目都會(huì)遇到更快的信號(hào)和更復(fù)雜的問題所以選擇示波器的最后一個(gè)因素是要考慮到未來的應(yīng)用。選擇一個(gè)比目前需要的觸發(fā)更快、存儲(chǔ)能力更深和參數(shù)分析能力更強(qiáng)的示波器是很重要的。另外考慮示波器的設(shè)計(jì)將來能否增加分析工具和更多RAM。
——當(dāng)選擇示波器作定時(shí)和抖動(dòng)測(cè)量時(shí)使用者應(yīng)該盡可能多地了解電路特性。在檢查市售示波器的指標(biāo)后選取幾種不同供應(yīng)商的樣品試用。花費(fèi)時(shí)間用示波器作實(shí)際測(cè)量和作故障分析是值得的并且這可保證將來作定時(shí)和抖動(dòng)分析更為精確。
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