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数字存储示波器迎接定时和抖动的挑战
2015-01-29
——在生产设计涉及快速信号而且时间紧迫的情况下工程师有准确的仪器和良好的故障排除工具是非常重要的。为迎接这种挑战示波器生产商提供了既有高精确基本特性又有先进解决问题能力的仪器。 数字示波器的基本任务是为使用者捕捉、观察和分析信号以及提供排除故障的工具。在选择示波器时使用者要考虑触发性能、带宽、取样率和采集存储器长度。
——触发
——许多高性能示波器装有触发器能够区别变化率、毛刺和低脉冲的问题。如果使用者处理的是高速信号则理想的示波器可由快速事件触发。最快的触发电路可用100ps分辨率捕捉600ps的事件。
——当电路情况尚未清楚时使用非常快速的触发并将数据全部存入显示屏的长余辉图形。使用者能观察到可能引起错误的事件类型并设置触发去捕捉这些事件。
——如果使用者知道正常信号应有的波形，涂层测厚仪则使用者只要在信号出现异常定时特性时触发。
——带宽和取样率
——示波器带宽和取样率对精确信号捕捉是重要的。对定时测量来说两种特性中取样率通常更为重要。
——数字示波器在一个信号周期中最少应捕捉八个样本才能进行精确的定时测量。精密测量可能需要更高的比率。
——前端放大器要有足够的带宽去跟踪信号的最高带宽成分。对于上升时间350ps的电路来说放大器具有350ps本征上升时间的1GHz示波器就足够了。所有时钟边沿的上升时间将会同样降低但不会影响它们的相对定时。
——应该选用更高带宽的仪器去测量1GHz以上的噪声效应同时应该认识更高带宽的双边沿效应。更精确的上升时间要求示波器绘制更精确的带宽但是过份的带宽会使使用者获得错误的结论。假定微处理器时钟正在驱动高速RAM器件的选通输入RAM器件将对时钟边沿发生响应而不是对高频噪声发生响应。在这种情况下电路响应受带宽限制并忽略掉很高的高频噪声。
——宽带垂直噪声是边沿抖动的主要制造者，但使用者不要过份估计垂直噪声的影响把超过被测电路和带宽的噪声影响也考虑在内。因为放大器的宽带噪声随带宽的开方值增加，使用者应保证示波器不会把噪声和抖动加入到信号中。具有500MHz至几GHz带宽的示波器只有几ps的本征噪声。
——存储器深度
——对于复杂数据流的时钟稳定度和定时分析示波器应该有足够的存储器在整个数据记录上保持A/D转换器的最高取样率。如果存储器不够则必需降低A/D转换器的取样率去捕捉整个信号或者保持最高取样率而不能记录整个信号。
——定时测量
——多种定时测量都要统计数据的有效性。使用者不能只测量一次周期至周期的变化就测量出周期抖动。必须进行多次测量以保证一个具有高斯分布的参数的分布范围的测量。这些分布需要包括多种信号定时变化由宽带噪声决定的定时测量 。
——高斯分布测量
直分图事件数 时钟周期抖动（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
——参数测量值例如空度比误差要有1000次测量获得最可能的结果是分布范围达到±2.9б。捕捉1×106次测量可将数值范围扩展到大约9б（±4.6б）。这样的置信度要高得多使最坏情况的电路性能得到特征化。
——某些示波器触发一次只捕捉到一个参数值即使由长的存储器去捕捉通常只是屏幕的第一个周期。另一些示波器触发一次可捕促到1×106以上的周期并对所有周期都作测量。
——示波器的CPU速度和RAM大小随型号的不同而不同没有必要与价格挂钩。某些低价示波器有很高的处理能力而某些高价的示波器的处理能力却很低。某些示波器用专用DSP去快速运行某些计算但对另一些计算的运行会很慢。最好在购买示波器之前先让示波器进行特定的测量。
——先进的故障排除性能
——多种先进的故障排除工具特别是寻找定时和抖动问题的工具现在都装入示波器内。首先是某些示波器具有更快进入触发方式的能力并且将数据显示成余辉图形使用者可观察到大量事件。
——某些示波器使用这些余辉图数据绘制出向量扫迹它显示的包络是±3б或其它б值而其它示波器可给出数据值的统计表示。它用四个数字一组来表示使边沿的多次采集特征化用边沿到达的最先、最后、平均和б值来显示。
——其它示波器可绘制出表示所有边沿到达时间的直方图。多峰直方图或带肩直方图表示除一项噪声之外还有其它因素导致定时问题。
——某些示波器还可作出诸如周期——周期抖动、周期至下一周期的空度比变化、脉冲幅度分布等的信号参数直方图。由于直方图内容随示波器型号的不同而不同工程师应考虑哪一种参数重要而选择一种含有这种参数的示波器。在许多情况下需要保持与时间有关的参数测量记录。某些示波器可采用与数据采集一样的时基作出定时参数的连贯值扫迹。
——上述扫迹跟踪着信号随原始数据扫迹的定时变动。如果信号的周期、频率或空度比变化则跟踪着抖动的扫迹可显示出随这些变化而变化的曲线。
——因为统计数据用作证实一个系统是否处在指标之内示波器上的抖动跟踪曲线是电路故障排除的极好工具。设计者可迅速确认被测信号的非正常部分的位置并深入寻找失效原因。
——选择示波器
——每个连续进行的项目都会遇到更快的信号和更复杂的问题所以选择示波器的最后一个因素是要考虑到未来的应用。选择一个比目前需要的触发更快、存储能力更深和参数分析能力更强的示波器是很重要的。另外考虑示波器的设计将来能否增加分析工具和更多RAM。
——当选择示波器作定时和抖动测量时使用者应该尽可能多地了解电路特性。在检查市售示波器的指标后选取几种不同供应商的样品试用。花费时间用示波器作实际测量和作故障分析是值得的并且这可保证将来作定时和抖动分析更为精确。
——触发
——许多高性能示波器装有触发器能够区别变化率、毛刺和低脉冲的问题。如果使用者处理的是高速信号则理想的示波器可由快速事件触发。最快的触发电路可用100ps分辨率捕捉600ps的事件。
——当电路情况尚未清楚时使用非常快速的触发并将数据全部存入显示屏的长余辉图形。使用者能观察到可能引起错误的事件类型并设置触发去捕捉这些事件。
——如果使用者知道正常信号应有的波形，涂层测厚仪则使用者只要在信号出现异常定时特性时触发。
——带宽和取样率
——示波器带宽和取样率对精确信号捕捉是重要的。对定时测量来说两种特性中取样率通常更为重要。
——数字示波器在一个信号周期中最少应捕捉八个样本才能进行精确的定时测量。精密测量可能需要更高的比率。
——前端放大器要有足够的带宽去跟踪信号的最高带宽成分。对于上升时间350ps的电路来说放大器具有350ps本征上升时间的1GHz示波器就足够了。所有时钟边沿的上升时间将会同样降低但不会影响它们的相对定时。
——应该选用更高带宽的仪器去测量1GHz以上的噪声效应同时应该认识更高带宽的双边沿效应。更精确的上升时间要求示波器绘制更精确的带宽但是过份的带宽会使使用者获得错误的结论。假定微处理器时钟正在驱动高速RAM器件的选通输入RAM器件将对时钟边沿发生响应而不是对高频噪声发生响应。在这种情况下电路响应受带宽限制并忽略掉很高的高频噪声。
——宽带垂直噪声是边沿抖动的主要制造者，但使用者不要过份估计垂直噪声的影响把超过被测电路和带宽的噪声影响也考虑在内。因为放大器的宽带噪声随带宽的开方值增加，使用者应保证示波器不会把噪声和抖动加入到信号中。具有500MHz至几GHz带宽的示波器只有几ps的本征噪声。
——存储器深度
——对于复杂数据流的时钟稳定度和定时分析示波器应该有足够的存储器在整个数据记录上保持A/D转换器的最高取样率。如果存储器不够则必需降低A/D转换器的取样率去捕捉整个信号或者保持最高取样率而不能记录整个信号。
——定时测量
——多种定时测量都要统计数据的有效性。使用者不能只测量一次周期至周期的变化就测量出周期抖动。必须进行多次测量以保证一个具有高斯分布的参数的分布范围的测量。这些分布需要包括多种信号定时变化由宽带噪声决定的定时测量 。
——高斯分布测量
直分图事件数 时钟周期抖动（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
——参数测量值例如空度比误差要有1000次测量获得最可能的结果是分布范围达到±2.9б。捕捉1×106次测量可将数值范围扩展到大约9б（±4.6б）。这样的置信度要高得多使最坏情况的电路性能得到特征化。
——某些示波器触发一次只捕捉到一个参数值即使由长的存储器去捕捉通常只是屏幕的第一个周期。另一些示波器触发一次可捕促到1×106以上的周期并对所有周期都作测量。
——示波器的CPU速度和RAM大小随型号的不同而不同没有必要与价格挂钩。某些低价示波器有很高的处理能力而某些高价的示波器的处理能力却很低。某些示波器用专用DSP去快速运行某些计算但对另一些计算的运行会很慢。最好在购买示波器之前先让示波器进行特定的测量。
——先进的故障排除性能
——多种先进的故障排除工具特别是寻找定时和抖动问题的工具现在都装入示波器内。首先是某些示波器具有更快进入触发方式的能力并且将数据显示成余辉图形使用者可观察到大量事件。
——某些示波器使用这些余辉图数据绘制出向量扫迹它显示的包络是±3б或其它б值而其它示波器可给出数据值的统计表示。它用四个数字一组来表示使边沿的多次采集特征化用边沿到达的最先、最后、平均和б值来显示。
——其它示波器可绘制出表示所有边沿到达时间的直方图。多峰直方图或带肩直方图表示除一项噪声之外还有其它因素导致定时问题。
——某些示波器还可作出诸如周期——周期抖动、周期至下一周期的空度比变化、脉冲幅度分布等的信号参数直方图。由于直方图内容随示波器型号的不同而不同工程师应考虑哪一种参数重要而选择一种含有这种参数的示波器。在许多情况下需要保持与时间有关的参数测量记录。某些示波器可采用与数据采集一样的时基作出定时参数的连贯值扫迹。
——上述扫迹跟踪着信号随原始数据扫迹的定时变动。如果信号的周期、频率或空度比变化则跟踪着抖动的扫迹可显示出随这些变化而变化的曲线。
——因为统计数据用作证实一个系统是否处在指标之内示波器上的抖动跟踪曲线是电路故障排除的极好工具。设计者可迅速确认被测信号的非正常部分的位置并深入寻找失效原因。
——选择示波器
——每个连续进行的项目都会遇到更快的信号和更复杂的问题所以选择示波器的最后一个因素是要考虑到未来的应用。选择一个比目前需要的触发更快、存储能力更深和参数分析能力更强的示波器是很重要的。另外考虑示波器的设计将来能否增加分析工具和更多RAM。
——当选择示波器作定时和抖动测量时使用者应该尽可能多地了解电路特性。在检查市售示波器的指标后选取几种不同供应商的样品试用。花费时间用示波器作实际测量和作故障分析是值得的并且这可保证将来作定时和抖动分析更为精确。
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